Spinnet i grafen kan stängas av

Genom att kombinera grafen med ett annat tvådimensionellt material har forskare vid Chalmers skapat en prototyp till en sorts transistor för framtida datorer, baserad på så kallad spinntronik. Spinn som informationsbärare kan ge betydligt snabbare och energisnålare elektronik och kan även leda till mer mångsidiga komponenter som klarar både beräkning och lagring av data. Upptäckten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.

För drygt två år sedan påvisade samma forskargrupp att grafen, som ju är en utmärkt elektrisk ledare, även har oöverträffade spinntroniska egenskaper i rumstemperatur.

Det supertunna kolnätet visade sig kunna förmedla elektroner med samordnat spinn över längre avstånd och bevara det under längre tid än något annat känt material.

Även om avstånden fortfarande rör sig på en skala av några mikrometer och tiden handlar om nanosekunder, så öppnade detta för en principiell möjlighet att använda spinn i mikroelektroniska komponenter.

– Men det räcker inte att ha en bra motorväg som spinnsignalen kan färdas på. Det behövs också trafikljus, så att signalen kan kontrolleras, konstaterar docent Saroj Dash, som leder forskargruppen.

– Vår nya utmaning blev att hitta ett material som både kan förmedla och kontrollera spinnet. Det är svårt, eftersom dessa båda uppgifter normalt kräver helt motsatta materialegenskaper, förklarar han.

Som många andra forskare inom det heta grafenfältet valde chalmersforskarna därför att testa en kombination av grafen och ett annat tunt, så kallat 2D-material, som har motsatta spinntroniska egenskaper.

– Vårt val föll på molybdendisulfid, MoS2, på grund av den korta tid spinnet kan leva i detta material, vilket i sin tur beror på den starka växelverkan mellan spinnet och elektronens bana, förklarar André Dankert, postdok-forskare i gruppen.

André Dankert och Saroj Dash satte upp ett experiment där några lager MoS2 placerades ovanpå ett lager grafen i en sorts sandwich, en så kallad heterostruktur.

Med den kunde de i detalj klarlägga vad som händer med spinnsignalen när elektronströmmen når fram till heterostrukturen:

– För det första reduceras spinnsignalen med en tiopotens bara genom närkontakten med molybdendisulfiden. Men dessutom visar vi hur man genom att tillföra en basspänning över heterostrukturen helt kan eliminera signalen, berättar Saroj Dash.

Det beror på att den naturliga energibarriär som existerar mellan materialskikten, den så kallade Schottky-barriären, minskar när den elektriska spänningen läggs på. Därmed kan elektronerna kvantmekaniskt tunnla från grafenet in i molybdendisulfiden. Och därmed försvinner spinnpolariseringen; spinnet blir slumpmässigt fördelat.

Att på detta vis öppna eller stänga en "ventil" genom att reglera en spänning påminner om hur en transistor fungerar i konventionell elektronik. Ändå drar sig Saroj Dash en smula för att kalla anordningen för en spinntransistor:

– När forskare har föreslagit framtida spinntransistorer, så har man oftast tänkt sig något som bygger på halvledarteknik och så kallad koherent kontroll av spinnströmmen. Det vi har gjort här fungerar på ett helt annat sätt, men utför samma omkopplingsuppgift, säger han.

– Det här är första gången som någon kunnat visa att kontroll av spinnströmmen och dess varaktighet fungerar vid rumstemperatur – vilket förstås ökar möjligheterna för olika tillämpningar i framtiden, menar Saroj Dash.

Även om det är för tidigt att sia om vilka dessa skulle kunna bli, påpekar Dash att en komponent byggd på den här principen skulle kunna bli mycket mångsidig. Detta eftersom den innehåller såväl magnetiska minneselement som halvledare och grafen, samtidigt som den har förutsättningar för spinntronisk omkoppling.

– Det pekar mot en multifunktionell komponent som kan svara för både datalagring och processorarbete – i en enda enhet.

Fakta: Molybdendisulfid, MoS2
Molybdendisulfid är ett halvledande ämne som många kommit i kontakt med, eftersom det är den aktiva ingrediensen i en viss typ av smörjfett som säljs på närmaste bensinmack.
Med sin skiktade struktur har molybdendisulfid vissa likheter med grafit, som ju utgörs av många sammanklibbade lager grafen. Men i spinntroniskt avseende är materialen varandras motsatser. Genom molybdendisulfid går det inte att skicka någon polariserad elektronström alls. Spinnsignalen tvärdör, eftersom elektronerna snabbt återgår till sin naturliga, slumpmässiga blandning av uppspinn och nedspinn.

Fakta: Spinn och spinntronik
Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner och andra elementarpartiklar. Spinnet är antingen riktat upp eller ner. Normalt är fördelningen slumpmässig.
Men ibland har alla eller flertalet elektroner i ett material sitt spinn orienterat åt samma håll – upp eller ned. Det är så magnetism uppkommer.
Med hjälp av magneter kan också en elektronström likriktas – polariseras – så att alla elektroner får exempelvis uppspinn. Man säger då att strömmen bär på en spinnsignal.
Samordnat spinn är känsligt för störningar och går lätt förlorat, men grafen har visat sig vara en ledare som låter en ström flyta osedvanligt långt med sitt spinn i behåll. Tillräckligt långt för att spinn skulle kunna användas som informationsbärare i framtida logiska komponenter – spinntronik.

För mer information, kontakta:
Saroj Dash, docent i kvantkomponentfysik, Chalmers, +46 31 772 51 70, saroj.dash@chalmers.se

Läs artikeln Electrical gate control of spin current in van der Waals heterostructures at room temperature på:
http://www.nature.com/ncomms
DOI: 10.1038/NCOMMS16093.