La microscopia a scansione a effetto tunnel mostra la topografia del grafene sull'oro con battiti periodici dieci volte maggiori della periodicità degli atomi di carbonio. Queste percosse sono motivi moiré, emergenti a causa delle diverse strutture atomiche del grafene e del sottostante monostrato di atomi d'oro. La struttura del moiré influenza le interazioni chimiche tra oro e strato di grafene e anche le proprietà elettroniche e il comportamento di spin nel grafene. Attestazione:HZB/Andrei Varykhalov
Da quando il grafene è stato isolato per la prima volta alcuni anni fa, questa rete quasi bidimensionale composta da un singolo strato di atomi di carbonio è stata considerata il materiale magico. Non solo il grafene è meccanicamente altamente resiliente, fornisce anche una base interessante per nuovi componenti spintronici che sfruttano il momento magnetico degli elettroni di conduzione.
Ora, Dr. Andrei Varykhalov del Centro Helmholtz di Berlino, Il Prof. Dr. Oliver Rader e il suo team di fisici hanno compiuto il primo passo verso la costruzione di componenti a base di grafene, in collaborazione con fisici di San Pietroburgo (Russia), Jülich (Germania) e Harvard (USA). Secondo il loro rapporto del 27. novembre 2012 in Comunicazioni sulla natura , sono riusciti con successo ad aumentare l'accoppiamento spin-orbita degli elettroni di conduzione del grafene di un fattore 10, 000 – abbastanza per consentire loro di costruire un interruttore che può essere controllato tramite piccoli campi elettrici.
Lo strato di grafene si trova sopra un substrato di nichel i cui atomi sono separati dalla stessa distanza delle maglie esagonali del grafene. Prossimo, i fisici depositarono atomi d'oro sul loro campione che finirono per alloggiare tra il grafene e il nichel.
L'utilizzo di diversi spettrometri fotoelettronici presso l'impianto di radiazione di sincrotrone BESSY II di HZB ha consentito ai ricercatori di misurare i cambiamenti nelle proprietà elettroniche del grafene. Proprio come la terra, gli elettroni hanno due momenti angolari:un momento angolare orbitale, che permette loro di girare intorno al nucleo atomico; e uno spin corrispondente ad una rotazione attorno ai propri assi. Un forte accoppiamento spin-orbita significa quindi una grande differenza energetica a seconda che entrambe le rotazioni siano dirette nella stessa direzione o in direzioni opposte. Nel caso di nuclei più leggeri (come è vero per gli atomi di carbonio), l'interazione spin-orbita è piuttosto debole, mentre nel caso di atomi più pesanti come l'oro è abbastanza forte. "Potremmo dimostrare che, data la loro vicinanza allo strato di grafene, gli atomi d'oro sono stati anche in grado di aumentare questa interazione nello strato di grafene di un fattore 10, 000, " spiega Dmitry Marchenko che ha preso le misurazioni come parte della sua ricerca di dottorato.
Secondo Varykhalov, questo accoppiamento spin-orbita molto forte consentirebbe ai ricercatori di costruire una sorta di interruttore poiché gli spin potrebbero ora essere ruotati utilizzando un campo elettrico. Due filtri di spin, uno davanti e uno dietro al componente, tollerano solo spin unidirezionali. Se i filtri di spin fossero perpendicolari tra loro, nessun giro sarebbe più in grado di passare e l'interruttore sarebbe effettivamente spento. Un campo elettrico, però, ruoterebbe gli spin in modo tale da poter - parzialmente o completamente - alzare l'interruttore.
"Siamo stati in grado di documentare che solo gli elettroni negli orbitali 5d degli atomi d'oro aumentano l'interazione dell'orbita di rotazione del grafene. Ciò è conforme ai nostri modelli teorici, " spiega Varykhalov. Tuttavia, i fisici HZB hanno già la loro prossima sfida tagliata per se stessi:un componente a base di grafene che si trova su una superficie non conduttiva invece del nichel, un metallo. Non sorprendentemente, hanno già iniziato a lavorarci.
