Op weg naar 2D-geheugentechnologie door magnetisch grafeen

Vereenvoudigde schematische afbeelding van het bestudeerde apparaat, dat elektrische en thermische opwekking van spinstromen in een dubbellaagse grafeen / CrSBr-heterostructuur laat zien. De magnetische Co-elektroden worden gebruikt om de mate van nabijheidsgeïnduceerde spinpolarisatie in het dubbellaagse grafeen te bepalen, waar de magnetisatie van de buitenste laag van CrSBr (M^CSB) zorgt voor een hogere geleidbaarheid van de spin-up elektronen (rode pijlen). Krediet: Talieh Ghiasi, Rijksuniversiteit Groningen

In spintronica wordt het magnetische moment van elektronen (spin) gebruikt om informatie over te dragen en te manipuleren. Een ultracompacte 2D-spinlogica-schakeling zou kunnen worden gebouwd van 2D-materialen die de spin-informatie over lange afstanden kunnen transporteren en ook een sterke spin-polarisatie van laadstroom bieden. Experimenten door natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen (Nederland) en Colombia University (VS) suggereren dat magnetisch grafeen de ultieme keuze kan zijn voor deze 2D spin-logic apparaten, aangezien het lading efficiënt omzet in spinstroom en deze sterke spin-polarisatie kan overdragen. over lange afstanden. Deze ontdekking werd op 6 mei gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Spintronische apparaten zijn veelbelovende snelle en energiebesparende alternatieven voor de huidige elektronica. Deze apparaten gebruiken het magnetische moment van elektronen, zogenaamde spins (‘omhoog’ of ‘omlaag’) om informatie over te dragen en op te slaan. De voortdurende schaalverkleining van geheugentechnologie vereist steeds kleinere spintronische apparaten en daarom zoekt het naar atomair dunne materialen die actief grote spinsignalen kunnen genereren en de spin-informatie over micrometer-lange afstanden kunnen overdragen.

Grafeen

Al meer dan een decennium is grafeen het meest gunstige 2D-materiaal voor het transport van spin-informatie. Grafeen kan echter zelf geen spinstroom genereren, tenzij de eigenschappen op de juiste manier worden gewijzigd. Een manier om dit te bereiken, is door het als magnetisch materiaal te laten werken. Het magnetisme zou de doorgang van één type spin bevorderen en zo een onbalans creëren in het aantal elektronen met spin-up versus spin-down. In magnetisch grafeen zou dit resulteren in een sterk spin-gepolariseerde stroom.

Dit idee was nu experimenteel bevestigd door de wetenschappers van de Physics of Nanodevices-groep onder leiding van prof. Bart van Wees aan de Rijksuniversiteit Groningen, Zernike instituut voor geavanceerde materialen. Toen ze grafeen in de buurt van een 2D-gelaagde antiferromagneet, CrSBr, brachten, konden ze direct een grote spin-polarisatie van stroom meten, gegenereerd door het magnetische grafeen.

Spin-logica

In conventionele op grafeen gebaseerde spintronische apparaten worden ferromagnetische (kobalt) elektroden gebruikt voor het injecteren en detecteren van het spinsignaal in grafeen. In circuits die zijn opgebouwd uit magnetisch grafeen, kunnen de injectie, het transport en de detectie van de spins daarentegen allemaal door het grafeen zelf worden gedaan, legt Talieh Ghiasi, eerste auteur van het artikel, uit. “We detecteren een uitzonderlijk grote spin-polarisatie van geleidbaarheid van 14% in het magnetische grafeen dat naar verwachting ook efficiënt kan worden afgestemd door een transversaal elektrisch veld.” Dit, samen met de uitstekende lading- en spintransporteigenschappen van grafeen, maakt de realisatie mogelijk van volledig grafeen 2D spin-logicacircuits waarbij alleen het magnetische grafeen de spin-informatie kan injecteren, transporteren en detecteren.

Bovendien wordt de onvermijdelijke warmteafvoer die in elk elektronisch circuit plaatsvindt, in deze spintronische apparaten in het voordeel omgezet. “We zien dat de temperatuurgradiënt in het magnetische grafeen als gevolg van de Joule-verwarming wordt omgezet in spinstroom. Dit gebeurt door het spin-afhankelijke Seebeck-effect dat ook voor het eerst in onze experimenten in grafeen wordt waargenomen”, zegt Ghiasi. De efficiënte elektrische en thermische opwekking van spinstromen door magnetisch grafeen belooft aanzienlijke vooruitgang voor zowel de 2D spintronische als de spincaloritronische technologieën.

Het spintransport in grafeen is bovendien zeer gevoelig voor het magnetische gedrag van de buitenste laag van de naburige antiferromagneet. Dit impliceert dat dergelijke spintransportmetingen het uitlezen van de magnetisatie van een enkele atoomlaag mogelijk maken. De op magnetische grafeen gebaseerde apparaten richten zich dus niet alleen op de meest technologisch relevante aspecten van magnetisme in grafeen voor het 2D-geheugen en sensorische systemen, maar bieden ook verder inzicht in de fysica van magnetisme.

De toekomstige implicaties van deze resultaten zullen worden onderzocht in de context van het EU Graphene Flagship, dat werkt aan nieuwe toepassingen van grafeen en 2D-materialen.