Een nieuwe weg naar spin-gepolariseerde stromen

De tweede helft van de 20^e eeuw was het tijdperk van de elektronica, werden elektronische apparaten geminiaturiseerd en zelfs complexer, wat problemen veroorzaakte voor hun energieverbruik en afvalwarmte. Spintronics belooft informatie alleen op basis van spins op te slaan of te transporteren, wat sneller zou werken met veel minder energie. Helaas is het nog steeds een uitdaging om spin in een materiaal betrouwbaar en op schaal te beheersen door externe velden.

De overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) -reeksen zijn de meest intensief bestudeerde quasi tweedimensionale materialen buiten grafeen, met ladingsdichtheidsgolven, supergeleiding en niet-triviale topologische alle gemeengoed in de materiaalfamilie. Hafniumdiselenide (HfSe₂) behoort tot deze materiaalklasse. Nu hebben wetenschappers van BESSY II een nieuwe eigenschap van zijn elektronische structuur onthuld die zou kunnen leiden tot een gemakkelijkere route om spinstromen te genereren en te regelen.

“Om over te schakelen van elektronica naar spintronica, moeten we materialen vinden waarin spin-up en spin-down-elektronen zich anders gedragen”, legt eerste auteur Oliver Clark uit. Er zijn twee manieren om dit te doen, benadrukt hij: “We kunnen ofwel het materiaal extern verstoren zodat elektronen van verschillende spins functioneel inequivalent worden, of we kunnen magneten gebruiken waarbij de elektronen van tegenovergestelde spins intrinsiek functioneel verschillend zijn.”

Voor de eerste methode ligt de moeilijkheid in het vinden van geschikte combinaties van materialen en mechanismen waarmee spincontrole extern kan worden opgelegd. In de zogenaamde 2H gestructureerde TMD’s heb je bijvoorbeeld perfecte eenkristallen en een circulair gepolariseerde lichtbron nodig. De tweede methode is daarentegen veel eenvoudiger, maar het integreren van magneten in apparaten is problematisch voor de werking van conventionele elektronische componenten, vooral op kleine schaal.

Lineair gepolariseerd licht doet de truc

Maar tussen die twee manieren bestaat er een middenweg, althans voor sommige geselecteerde materialen zoals HfSe₂. “Als je dit materiaal onderzoekt met lineair gepolariseerd licht – dat gemakkelijker te produceren is dan circulair gepolariseerd licht – werkt het materiaal als een magneet in termen van zijn spinstructuur. Dus de spin-selectiviteit wordt heel gemakkelijk, maar je hebt geen de problemen die samenhangen met andere magnetische eigenschappen”, legt Clark uit. Het voordeel: kristalkwaliteit of oriëntatie van het monster doet er niet meer toe.

Dit biedt een geheel nieuwe route naar het genereren van spin-gepolariseerde stromen uit overgangsmetaal dichalcogeniden. De natuurkundigen zijn erg enthousiast over de implicaties van dit werk. “Onze resultaten zijn niet alleen relevant voor natuurkundigen die zich bezighouden met gelaagde tweedimensionale materialen, maar ook voor specialisten in de fabricage van spintronische en opto-spintronische apparaten”, zegt Clark.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.