Графен, двумерная форма углерода, является отличным проводником электронных спинов. Однако в этом материале сложно управлять спиновыми токами. Спин – это квантово-механическое свойство электронов, которое заставляет их вести себя как крошечные магниты.
Группа «Физика наноустройств» в Университете Гронингена под руководством профессора Барта ван Виза работает над этой проблемой. Ранее они показали, что можно контролировать спиновые токи, если графен поместить поверх слоя дисульфида вольфрама (еще один 2D-материал).
Новая техника
«Однако такой подход сокращает время жизни спинов», – объясняет Сиддхартха Омар, постдок группы Ван Виса. Вольфрам – это металл, и его атомы влияют на электроны, проходящие через графен, рассеивая спиновые токи.
Это побудило Омара использовать двойной слой графена на дисульфиде вольфрама, основываясь на теории, согласно которой электроны, проходящие через верхний слой, должны «меньше ощущать» влияние атомов металла.
Омар также использовал другую новую технику, в которой через графен пропускают два разных типа спинового тока. Спин – это магнитный момент, имеющий заданное направление. В обычных материалах вращения не выровнены.
Однако магнитный момент спиновых токов, как и магнитов, имеет преимущественную ориентацию. Относительно материала, через который проходят электроны, их спины могут иметь ориентацию в плоскости или вне плоскости.
Уровень энергии
Мы обнаружили, что когда электроны проходят через внешний слой графена, спины в плоскости рассеиваются очень быстро – всего за пикосекунды.
Однако время жизни спинов вне плоскости примерно в сто раз больше.Это означает, что даже в присутствии дисульфида вольфрама одна составляющая спиновых токов (спины с ориентацией вне плоскости) может перемещаться достаточно далеко, чтобы использоваться в таких устройствах, как транзисторы.
Уровень энергии спиновых токов, наблюдаемых Омаром, заставил их проходить через верхний слой графена.
Этот уровень энергии можно повысить, приложив электрическое поле, проталкивая спиновые токи в нижний слой. «Там, внизу, спины почувствуют полное воздействие атомов металла, и спиновые токи быстро рассеются», – объясняет Омар. Эта способность отключать спиновой ток с помощью электрического поля важна, так как ее можно использовать для “ затвора ” транзисторов, основанных на этой технологии.
«К сожалению, определенные технические ограничения подложки, на которой мы построили эти устройства, не позволяют нам создавать электрические поля, достаточно сильные для создания этого стробирующего эффекта», – говорит Омар.
Однако мы показали, что можно проводить спиновые токи через гетероструктуру из графена и дисульфида вольфрама. Это важный шаг к созданию спинового транзистора.’