Artykuł opublikowany w czasopiśmie
Nature Communications opisuje, jak uzyskano spiny elektronów w następstwie wzajemnego oddziaływania zastosowanej w urządzeniu dwuwarstwy grafenu i azotku boru. W efekcie sygnał spinu uległ stukrotnemu wzmocnieniu, dzięki czemu jest wystarczająco silny, aby można go było wykorzystywać w realnych zastosowaniach.
Iniekcja i wykrywanie spinu
„Spin” to pojęcie używane do opisywania właściwości magnetycznej elektronów, którą można wykryć w postaci pola magnetycznego skierowanego w górę lub w dół. Spintronika to dziedzina, w ramach której dąży się do wykorzystania tego zjawiska, a najbardziej rozpowszechnionymi wśród jego zastosowań są przechowywanie i transport informacji oraz manipulowanie nimi. Jednak wykorzystywanie spinu elektronu w urządzeniu wymaga kontrolowania proporcji liczby elektronów ze spinem skierowanym w górę lub w dół, co określane jest jako polaryzacja spinu. Okazywało się to wciąż niezmiernie trudne do osiągnięcia, a proporcja tych skierowanych w górę i w dół utrzymywała się na niskim poziomie.
Badania zaprezentowane w artykule korzystają z dorobku finansowanego ze środków UE projektu GRAPHENECORE1 (który sam był częścią prowadzonej przez UE 10-letniej inicjatywy Graphene Flagship, rozpoczętej w 2013 r.) i opierają się na prowadzonych analizach zachowania spinu w różnych materiałach. Jak stwierdził profesor Bart van Wees z Uniwersytetu w Groningen: „Polaryzację spinu można osiągnąć za pomocą przesyłania elektronów przez materiał ferromagnetyczny”. To skutkuje nadmiarem jednego typu spinu. W ramach prowadzonych prac nacisk położony został na iniekcję spinu – wprowadzenie elektronów ze spolaryzowanymi spinami do urządzenia – i wykrywanie.
Zespół był w stanie wykazać, że jest w stanie skuteczniej przeprowadzić iniekcję do grafenu i wykryć elektrony ze spinem dzięki zastosowaniu materiałów przekładkowych. Rdzeń składał się z warstwy grafenu o grubości jednego atomu wspartej na warstwie izolacyjnej z azotku boru, położonej na krzemowym półprzewodniku. Nad grafenem znajdowała się bardzo cienka warstwa azotku boru, grubości kilku atomów, aby chronić elektrony w grafenie.
„Grafen to materiał, który doskonale nadaje się do transportu spinu, ale nie umożliwia manipulowania spinami” – wyjaśnia profesor. „Aby przeprowadzić iniekcję spinów do grafenu, należy je przepuścić z ferromagnetyku przez azotek boru za pomocą tunelowania kwantowego. Ustaliliśmy, że zastosowanie dwuatomowej warstwy azotku boru poskutkowało bardzo silnym zwiększeniem polaryzacji spinu nawet o 70 procent, czyli dziesięciokrotność tego co zwykle osiągaliśmy”. Przy podobnym dziesięciokrotnym wzroście wykrywalności spinu, jaki zaobserwowaliśmy, w sumie sygnał uległ stukrotnemu wzmocnieniu.
Nieoczekiwane rezultaty i potencjalne zastosowania
Niespodziewanie okazało się, że napięcie w opracowanych urządzeniach może zwiększać polaryzację, co jest sprzeczne z rozpowszechnionym przekonaniem, że tylko materiały ferromagnetyczne są w stanie polaryzować spin. Wydaje się, że polaryzacja spinu jest skutkiem tunelowania kwantowego służącego do iniekcji spinów do grafenu w urządzeniach badawczych.
Te odkrycia otwierają wiele możliwości. Jak przypuszcza profesor: „Jesteśmy teraz w stanie przeprowadzać iniekcję spinów do grafenu i z łatwością je mierzyć, kiedy tylko pokonają pewną odległość. Jednym z zastosowań byłby detektor pól magnetycznych, który wpływałby na sygnał spinu”. Kolejną opcją byłaby budowa spinowej bramki logicznej lub tranzystora spinowego.
Jednym z kluczowych obszarów zainteresowania projektu Graphene Flagship było opracowanie technik skalowania produkcji wysokiej jakości grafenu, które zintegrują także wyniki podejmowanych w jego ramach inicjatyw dążących do zoptymalizowania procesu i jakości produktów końcowych.
Więcej informacji:
strona projektu
poleca:
