Analyse van heterostructuren voor spintronica laat zien hoe twee gewenste kwantumfysische effecten elkaar versterken

Spintronica gebruikt de spins van elektronen om logische bewerkingen uit te voeren of informatie op te slaan. Idealiter zouden spintronische apparaten sneller en energiezuiniger kunnen werken dan conventionele halfgeleiderapparaten. Het is echter nog steeds moeilijk om spintexturen in materialen te creëren en te manipuleren.

Grafeen, een tweedimensionale honingraatstructuur opgebouwd uit koolstofatomen, wordt gezien als een interessante kandidaat voor spintronische toepassingen. Grafeen wordt doorgaans afgezet op een dunne laag zwaar metaal.

Op de interface tussen grafeen en zwaar metaal ontwikkelt zich een sterke spin-baankoppeling, die aanleiding geeft tot verschillende kwantumeffecten, waaronder een spin-baansplitsing van energieniveaus (Rashba-effect) en een kanteling in de uitlijning van spins (Dzyaloshinskii-Moriya-interactie). Het spinkantelingseffect is vooral nodig om vortexachtige spintexturen, bekend als skyrmionen, te stabiliseren, die bijzonder geschikt zijn voor spintronica.

Nu heeft een Spaans-Duits team echter aangetoond dat deze effecten aanzienlijk worden versterkt wanneer een paar monolagen van het ferromagnetische element kobalt tussen het grafeen en het zware metaal (hier: iridium) worden geplaatst. De monsters werden gekweekt op isolerende substraten, wat een noodzakelijke voorwaarde is voor de implementatie van multifunctionele spintronische apparaten die deze effecten benutten.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek ACS Nano.

“Bij BESSY II hebben we de elektronische structuren geanalyseerd op de grensvlakken tussen grafeen, kobalt en iridium”, zegt Dr. Jaime Sánchez-Barriga, een natuurkundige bij HZB. De belangrijkste bevinding: in tegenstelling tot de verwachtingen interageert het grafeen niet alleen met het kobalt, maar ook via het kobalt met het iridium.

“De interactie tussen het grafeen en het zware metaal iridium wordt gemedieerd door de ferromagnetische kobaltlaag,” legt Sánchez-Barriga uit. De ferromagnetische laag versterkt de splitsing van de energieniveaus.

“We kunnen het spin-kanteleffect beïnvloeden door het aantal kobaltmonolagen; drie monolagen is het beste”, aldus Sanchez-Barriga.

Dit resultaat wordt niet alleen ondersteund door experimentele gegevens, maar ook door nieuwe berekeningen met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie. Het feit dat beide kwantumeffecten elkaar beïnvloeden en versterken, is nieuw en onverwacht.

“We konden deze nieuwe inzichten alleen verkrijgen omdat BESSY II extreem gevoelige instrumenten biedt voor het meten van foto-emissie met spinresolutie (Spin-ARPES). Dit leidt tot de gelukkige situatie dat we de veronderstelde oorsprong van de spinkanteling, d.w.z. de Rashba-type spin-baansplitsing, heel nauwkeurig kunnen bepalen, waarschijnlijk zelfs nauwkeuriger dan de spinkanteling zelf,” benadrukt Prof. Oliver Rader, hoofd van de afdeling “Spin en Topologie in Quantum Materialen” bij HZB.

Er zijn wereldwijd maar een paar instituten die instrumenten met deze mogelijkheden hebben. De resultaten laten zien dat grafeen-gebaseerde heterostructuren een groot potentieel hebben voor de volgende generatie spintronische apparaten.