Schizzo di un transistor ad effetto di campo con spin grafene-WSe2. A tensione di backgate zero (Vbg), gli spin invertono il segno quando si propagano attraverso il canale. In contrasto, quando il Vbg non è zero, la precessione si riduce e gli spin non invertono il segno. Credito:Ingla-Aynes et al.
Un obiettivo cruciale della ricerca spintronica è manipolare in modo coerente gli spin degli elettroni a temperatura ambiente utilizzando la corrente elettrica. Ciò è particolarmente prezioso in quanto consentirebbe lo sviluppo di numerosi dispositivi, compresi i transistor ad effetto di campo di spin.
Negli esperimenti che utilizzano materiali convenzionali, ingegneri e fisici hanno finora osservato una precessione di spin coerente solo in regime balistico ea temperature molto basse. Bidimensionali (materiali 2D), però, hanno caratteristiche uniche che potrebbero fornire nuove manopole di controllo per manipolare la processione di spin.
I ricercatori del CIC nanoGUNE BRTA in Spagna e dell'Università di Regensburg in Germania hanno recentemente dimostrato la precessione di spin a temperatura ambiente in assenza di un campo magnetico nel grafene a doppio strato. Nella loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , hanno usato materiali 2D per realizzare un transistor ad effetto di campo di spin.
"Nel nostro gruppo, c'è una lunga tradizione nello studio del trasporto di spin in più materiali, come metalli semplici, ad esempio, " Josep Ingla-Aynes, Franz Herling, Jaroslav Fabiano, Luis E. Hueso e Felix Casanova, i ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Il nostro obiettivo principale è capire come lo spin dell'elettrone può trasportare informazioni e come questo grado di libertà può aiutare a creare dispositivi con nuove funzionalità".
Il grafene è tra i materiali con le maggiori lunghezze di spin-rilassamento. Ciò nonostante, manipolare gli spin mentre viaggiano sul grafene può essere molto impegnativo e finora è stato ottenuto solo utilizzando campi magnetici esterni, che è tutt'altro che ideale per applicazioni pratiche.
Recentemente, Ingla-Aynés e i suoi colleghi hanno esaminato come le eterostrutture basate su diversi materiali 2D, note anche come eterostrutture di van der Waals, eseguire in spintronica. Eterostrutture di Van der Waals, sono una classe di materiali 2D a base di grafene con strati non legati chimicamente.
"Abbiamo particolarmente esplorato strutture in cui un materiale con un debole accoppiamento spin-orbita (come il grafene) è impilato con un materiale con un forte accoppiamento spin-orbita (come WSe 2 ) e osservando sperimentalmente come questo accoppiamento spin-orbita viene effettivamente trasferito nel grafene per prossimità, " hanno spiegato i ricercatori. "Più tecnicamente, ottenendo una forte interazione tra gli strati, è possibile imprimere sul grafene un accoppiamento spin-orbita così efficiente (che agisce come un campo magnetico efficace) da poter invertire gli spin senza la necessità di applicare un campo magnetico e questo è quello che volevamo fare".
Invece di utilizzare un unico materiale, Ingla-Aynés e i suoi colleghi hanno utilizzato una combinazione di due materiali con proprietà significative diverse. Il primo di questi materiali è il grafene, che ha un debole accoppiamento spin-orbita e una lunga lunghezza di rilassamento di spin. Il secondo è WSe 2 , che ha un accoppiamento spin-orbita forte e anisotropo.
"Abbiamo preparato grafene/WSe . a doppio strato 2 eterostrutture di van der Waals che utilizzano una tecnica di impilamento a base di polimeri secchi, " hanno detto i ricercatori. "Allora, favorire la vicinanza tra gli strati, abbiamo ricotto i nostri campioni sopra i 400 gradi Celsius. Per misurare il trasporto di spin, abbiamo utilizzato elettrodi ferromagnetici che, combinato con campi magnetici, ci permettono di misurare gli spin nel piano e fuori dal piano che viaggiano attraverso il grafene/WSe 2 canale."
Ingla-Aynés e i suoi colleghi sono stati in grado di controllare i tempi di trasporto di spin nel materiale che hanno usato applicando loro un campo elettrico nel piano e una tensione di backgate. Ciò alla fine ha consentito il controllo elettrico della precessione di spin a temperatura ambiente, senza la necessità di applicare un campo magnetico esterno.
"Questo è stato cercato dalla comunità per decenni ed esplorando molti materiali diversi, eppure nessuno ha avuto successo, fino ad ora, " hanno detto i ricercatori. "Questa scoperta ha implicazioni per l'applicabilità della spintronica, poiché il nostro dispositivo funziona come il tanto agognato spin transistor Datta-Das, che è stato uno degli obiettivi della spintronica da quando è stata proposta per la prima volta nel 1990."
Nella loro carta, i ricercatori hanno presentato il primo transistor ad effetto di campo di spin a temperatura ambiente utilizzando la strategia di precessione di spin che hanno sviluppato. Nel futuro, il loro lavoro potrebbe aprire la strada all'attuazione pratica di una logica basata su spin efficiente dal punto di vista energetico.
"Il nostro studio ha anche una conseguenza fondamentale, poiché fornisce preziose informazioni su come il trasporto di spin è influenzato dalle interazioni spin-orbita nelle eterostrutture di van der Waals a base di grafene, " hanno detto i ricercatori. "Nei nostri prossimi studi, abbiamo in programma di studiare più altre combinazioni di materiali 2D che forniranno nuovi effetti fisici relativi al grado di libertà di spin".
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