Małowymiarowa spintronika działa w temperaturze pokojowej dzięki grafenowi
Od samego początku realizacji programu Graphene Flagship jego uczestnicy dostrzegają potencjał w zakresie urządzeń spintronicznych wykonanych z grafenu i materiałów pochodnych. Naukowcy z kilku uniwersytetów dowiedli, że możliwe jest manipulowanie właściwościami spinowymi grafenu w kontrolowany sposób w temperaturze pokojowej. Wyniki te są inspiracją dla nowych kierunków rozwoju urządzeń spinowo-logicznych i komputerów kwantowych. „W kontekście miniaturyzacji, która jest jedną z sił napędowych przemysłu elektronicznego, grafen otwiera nowe możliwości dotyczące zagęszczania operacji spinowo-logicznych z elementami pamięci magnetycznej na jednej platformie”, mówi profesor Stephan Roche z Katalońskiego Instytutu Badań Zaawansowanych (ICREA), który kieruje pakietem roboczym Graphene Flagship dotyczącym spintroniki od początku jego realizacji. To nie wina niedoskonałości materiału Grafen rozszerza zakres spintronicznej komunikacji między urządzeniami z nanometrów do mikrometrów przy niskich kosztach energii. Chociaż początkowe teoretyczne przewidywania szacowały czas życia spinu na około mikrosekundę, we wcześniejszych eksperymentach udawało się uzyskać w najlepszym razie kilka nanosekund. Ta zastanawiająca rozbieżność wydawała się sugerować, że za relaksację spinu odpowiadają przede wszystkim zanieczyszczenia i defekty materiału. Jednak badacze z projektu Flagship podważyli te teorie na temat mechanizmów relaksacji spinu i zaproponowali kilka nowych wyjaśnień, które sprawdzają się wyłącznie w przypadku grafenu. Dokładniej mówiąc, zauważyli, że szybkość, z jaką spiny ulegają relaksacji w systemach złożonych z grafenu i dichalkogenków metali przejściowych (TMDC), w dużym stopniu zależy od tego, czy są one skierowane w stronę płaszczyzny grafenu, czy w przeciwnym kierunku. „Grafen sprzężony z TMDC może służyć jako filtr spinu, ponieważ przekazywanie informacji spinowych zależy od początkowej polaryzacji spinów wstrzykiwanych elektronów, czego owocem mogą być nowe koncepcje tranzystorów spinowych o małej mocy”, wyjaśnia prof. Roche. Co istotne, eksperymenty zostały przeprowadzone w temperaturze pokojowej i są szczególnie ważne dla zewnętrznego manipulowania spinami elektronów w grafenie. Przełącznik doskonały Ponieważ grafen pozwala na utrzymanie koherencji spinu na wystarczająco długich odległościach, zintegrowanie go z innym warstwowym materiałem, w którym spin jest utrzymywany przez znacznie krótszy czas, może doprowadzić do powstania spinowego tranzystora polowego. Łącząc grafen z dwusiarczkiem molibdenu (MoS2), w którym trwanie spinu mierzone jest w pikosekundach, badacze z projektu Flagship wykazali, że możliwe jest kontrolowanie miejsca, przez które przechodzi spin, przy użyciu napięcia bramki. „To połączenie grafenu z innym cienkim materiałem dwuwymiarowym o odmiennych właściwościach spintronicznych umożliwia stworzenie przełącznika spinowego”, zauważa prof. Roche. Naukowcy wybrali MoS2 ze względu na krótką żywotność spinu wynikającą z silnego sprzężenia spinowo-orbitalnego. Co ważne, mieszanka ta działa w temperaturze pokojowej. Zwiększenie sygnałów spinowych Na podstawie analiz piśmiennictwa ustalono, że niedopasowanie przewodnictwa jest kluczowym czynnikiem, który może znacznie ograniczyć wstrzykiwanie spinu z ferromagnetyków do półprzewodników. Zespołowi Flagship udało się istotnie poprawić wydajność wstrzykiwania i wykrywania elektronów spinowych do grafenu przy użyciu materiałów o strukturze warstwowej. Struktura ta składała się z izolatora z azotku boru umieszczonego między warstwą grafenu i ferromagnetycznymi elektrodami wstrzykującymi/detektorowymi. W wyprodukowanym urządzeniu polaryzacja wzrastała do 70 % pod wpływem napięcia, co podważa podręcznikowe teorie, zgodnie z którymi tylko ferromagnetyki mogą wpływać na polaryzację spinu. Zaobserwowano natomiast, że na polaryzację spinową w urządzeniach wpływa tunelowanie kwantowe. Spin przeskakiwał na odległość 10 mikrometrów w ponad 3 nanosekundy w temperaturze pokojowej. „Wykorzystanie grafenu i innych materiałów dwuwymiarowych do opracowania następnej generacji pamięci opartych na momencie spinowym (takich jak STT-MRAM i SOT-MRAM) jest również niezwykle atrakcyjne i skłoniło firmę imec do objęcia kierownictwa w konsorcjum i podjęcia pracy nad ich wielkoskalową integracją w środowisku laboratoryjnym”, mówi Kevin Garello, lider WP i badacz imec prowadzący pionierskie badania nad zaawansowanymi koncepcjami pamięci.
Kraje
Szwecja
