Metaallaag met één atoom onthult onverwachte spin-gepolariseerde stroomcontrole met licht

Onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben aangetoond dat de richting van de spin-gepolariseerde stroom beperkt kan worden tot slechts één richting in een laag van één atoom van een thallium-loodlegering bij bestraling bij kamertemperatuur. De ontdekking tart alle conventies: men denkt dat lagen van één atoom vrijwel volledig transparant zijn, dat wil zeggen dat ze in verwaarloosbare mate licht absorberen of er interactie mee hebben.

De eenrichtingsstroom van de stroom die in dit onderzoek wordt waargenomen, maakt functionaliteit mogelijk die verder gaat dan gewone diodes, en maakt de weg vrij voor milieuvriendelijkere gegevensopslag, zoals ultrafijne tweedimensionale spintronische apparaten, in de toekomst. De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal ACS Nano.

Diodes zijn fundamentele bouwstenen van moderne elektronica, omdat ze de stroomstroom in slechts één richting beperken. Hoe dunner het apparaat echter is, hoe ingewikkelder het wordt om deze functionele componenten te ontwerpen en te vervaardigen. Het is dus van cruciaal belang om fenomenen aan te tonen die dergelijke ontwikkelingsprestaties mogelijk maken. Spintronica is een onderzoeksgebied waarin onderzoekers het intrinsieke impulsmoment (spin) van elektronen manipuleren, bijvoorbeeld door licht toe te passen.

“Spintronics werkte traditioneel met dikkere materialen”, zegt Ryota Akiyama. “We waren echter meer geïnteresseerd in zeer dunne systemen vanwege hun inherent opwindende eigenschappen. Daarom wilden we de twee combineren en de omzetting van licht in spin-gepolariseerde stroom in een tweedimensionaal systeem onderzoeken.”

De omzetting van licht in spin-gepolariseerde stroom wordt het circulair fotogalvanisch effect (CPGE) genoemd. Bij de spin-gepolariseerde stroom zijn de spins van elektronen in één richting uitgelijnd, waardoor de stroom van de elektrische stroom in één richting wordt beperkt, afhankelijk van de polarisatie van het licht. Het fenomeen is vergelijkbaar met conventionele diodes waarbij de elektrische stroom slechts in één richting kan stromen, afhankelijk van de polariteit van de spanning.

De onderzoekers gebruikten thallium-loodlegeringen om te zien of dit fenomeen zelfs kon worden waargenomen in lagen zo dun als een enkel atoom (tweedimensionale systemen). Ze voerden de experimenten uit in een ultrahoog vacuüm om adsorptie en oxidatie van het materiaal te voorkomen, zodat ze de ‘ware kleuren’ konden onthullen. Toen de onderzoekers de legeringen bestraalden met circulair gepolariseerd licht, konden ze de veranderingen in richting en grootte van de stromende elektrische stroom waarnemen.

“Nog verrassender”, zegt Akiyama, “was het een spin-gepolariseerde stroom: de richting van de elektronenspin was uitgelijnd met de richting van de stroom vanwege de nieuwe eigenschappen van deze dunne legeringen.”

Deze dunne legeringen die eerder door het team waren ontwikkeld, vertoonden unieke elektronische eigenschappen, waardoor het team bij toeval een hint kreeg voor het huidige onderzoek. Gepantserd met deze nieuwe kennis kijkt Akiyama naar de toekomst.

“Deze resultaten laten zien dat fundamenteel onderzoek cruciaal is voor toepassingen en ontwikkeling. In deze studie wilden we een geoptimaliseerd systeem observeren. Als volgende stap, naast het zoeken naar nieuwe tweedimensionale dunne legeringen met unieke elektronische eigenschappen, willen we graag om een ​​laser met lagere energie (terahertz) te gebruiken om de excitatiepaden die CPGE induceren te verkleinen. Op deze manier kunnen we de conversie-efficiëntie van licht naar spin-gepolariseerde stroom vergroten.

Het onderzoeksteam bestond uit Ibuki Taniuchi, Akiyama, Rei Hobara en Shuji Hasegawa.