Fysiker från National University of Singapore (NUS) har utvecklat ett koncept för att inducera och direkt kvantifiera spinnsplittring i tvådimensionella material. Genom att använda detta koncept har de experimentellt uppnått stor avstämningsförmåga och en hög grad av spin-polarisering i grafen. Denna forskningsprestation kan potentiellt främja området för tvådimensionell (2D) spintronik, med tillämpningar för elektronik med låg effekt.

Joule-uppvärmning utgör en betydande utmaning inom modern elektronik, särskilt i enheter som persondatorer och smartphones. Detta är en effekt som uppstår när flödet av elektrisk ström som passerar genom ett material producerar termisk energi, vilket sedan höjer materialets temperatur. En potentiell lösning involverar användningen av spin, istället för laddning, i logiska kretsar. Dessa kretsar kan i princip erbjuda låg effektförbrukning och ultrasnabb hastighet, tack vare minskningen eller elimineringen av Joule-uppvärmning. Detta har gett upphov till det framväxande området spintronics.

Grafen är ett idealiskt 2D-material för spintronik, på grund av dess långa spindiffusionslängd och långa spinnlivslängd även vid rumstemperatur. Även om grafen inte är spinnpolariserad i sig, kan den induceras att uppvisa spin-splittring genom att placera den nära magnetiska material. Det finns dock två huvudutmaningar. Det finns en brist på direkta metoder för att bestämma spin-splittringsenergin och en begränsning i grafens spinnegenskaper och avstämbarhet.

Ett forskarlag under ledning av professor Ariando från institutionen för fysik, NUS, utvecklade ett innovativt koncept för att direkt kvantifiera spin-splits energi i magnetisk grafen med hjälp av Landau fan shift. Landau fläktskifte hänvisar till förskjutningen av intercept när man ritar linjära passningar av oscillationsfrekvens med laddningsbärare, vilket beror på uppdelningen av energinivåer av laddade partiklar i ett magnetfält. Den kan användas för att studera materiens grundläggande egenskaper. Dessutom kan den inducerade spin-splittringsenergin ställas in över ett brett område med en teknik som kallas fältkylning.

Den observerade höga spinnpolariseringen i grafen, tillsammans med dess avstämbarhet i spin-splitningsenergi, erbjuder en lovande väg för utvecklingen av 2D-spintronik för lågeffektelektronik.

Resultaten har publicerats i tidskriften Advanced Materials .

Forskarna utförde en serie experiment för att validera deras tillvägagångssätt. De började med att skapa en magnetisk grafenstruktur genom att stapla ett monolager grafen ovanpå en magnetisk isolerande oxid Tm₃ Fe₅ O₁₂ (TmIG). Denna unika struktur gjorde det möjligt för dem att använda Landau fläktskifte för att direkt kvantifiera dess spin-splittande energivärde på 132 meV i den magnetiska grafenen.

För att ytterligare bekräfta det direkta sambandet mellan Landau fläktskifte och spin-splitningsenergi, utförde forskarna fältkylningsexperiment för att justera graden av spin-splittring i grafen. De tillämpade också röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) vid Singapore Synchrotron Light Source för att avslöja ursprunget till spin-polarisationen.

Dr Junxiong Hu, huvudförfattaren för forskningsartikeln, sa:"Vårt arbete löser den långvariga kontroversen inom 2D-spintronik genom att utveckla ett koncept som använder Landau fläktskifte för att direkt kvantifiera spinnsplittringen i magnetiska material."

För att ytterligare stödja sina experimentella rön, samarbetade forskarna med ett teoretiskt team ledd av professor Zhenhua Qiao från University of Science and Technology i Kina, för att beräkna spinklyvningsenergin med hjälp av första principberäkningar.

De teoretiska resultaten som erhölls överensstämde med deras experimentella data. Dessutom använde de också maskininlärning för att anpassa sina experimentella data baserade på en fenomenologisk modell, som ger en djupare förståelse för avstämbarheten av spin-splittande energi genom fältkylning.

Prof Ariando sa:"Vårt arbete utvecklar en robust och unik väg för att generera, detektera och manipulera elektronspin i atomärt tunna material. Det visar också en praktisk användning av artificiell intelligens inom materialvetenskap. Med den snabba utvecklingen och betydande intresset för fält av 2D-magneter och staplingsinducerad magnetism i atomärt tunna van der Waals-heterostrukturer, tror vi att våra resultat kan utökas till olika andra 2D-magnetiska system."

Med utgångspunkt i denna proof-of-concept-studie planerar forskargruppen att utforska manipulationen av spinnström vid rumstemperatur. Deras mål är att tillämpa sina rön i utvecklingen av 2D-spin-logikkretsar och magnetiska minne/sensoriska enheter.

Möjligheten att effektivt justera spinpolariseringen av ström utgör grunden för realiseringen av helt elektriska spin-fälteffekttransistorer, vilket inleder en ny era av låg strömförbrukning och ultrasnabb elektronik.

Mer information: Junxiong Hu et al, Tunable Spin-Polarized States in Graphene on a Ferrimagnetic Oxide Insulator, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202305763

Journalinformation: Avancerat material

Tillhandahålls av National University of Singapore