Scienziati Flagship Graphene con sede presso l'Università di Groningen, Paesi Bassi, hanno creato un dispositivo basato su un blilayer di grafene e nitruro di boro che mostra un'efficienza di trasporto dello spin senza precedenti a temperatura ambiente. Evidenziando il potenziale della creazione di dispositivi contenenti grafene e materiali correlati, il segnale di spin misurato qui è così grande che può essere utilizzato in applicazioni reali come la logica e i transistor basati sullo spin.

Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , questa ricerca, guidato dal professor Bart van Wees, Università di Groninga, Paesi Bassi, riporta un dispositivo a base di grafene in cui gli spin di elettroni possono essere iniettati e rilevati a temperatura ambiente con alta efficienza. La chiave è l'interazione tra il grafene e il nitruro di boro nel modo in cui conducono gli spin degli elettroni.

Lo spin può essere pensato come la rotazione di un elettrone attorno al proprio asse. È una forma di momento angolare intrinseco e può essere rilevato come un campo magnetico con uno dei due orientamenti:su e giù. Lo spin dell'elettrone è difficile da gestire e spesso perde direzione nel tempo. Per utilizzare lo spin dell'elettrone in un dispositivo, la polarizzazione dello spin è importante:questa è la capacità di controllare la frazione di elettroni con uno spin verso l'alto o verso il basso. "La polarizzazione di spin può essere ottenuta inviando gli elettroni attraverso un materiale ferromagnetico, " spiega van Wees.

Il professor van Wees e il suo team hanno dimostrato di poter migliorare notevolmente l'efficienza dell'iniezione e del rilevamento degli elettroni di spin nel grafene utilizzando il nitruro di boro isolante tra lo strato di grafene e gli elettrodi ferromagnetici dell'iniettore/rilevatore di spin.

"Il grafene è un ottimo materiale per il trasporto di spin, ma non permette di manipolare le rotazioni, " dice van Wees "Per iniettare spin nel grafene, bisogna farli passare da un ferromagnete attraverso un isolante in nitruro di boro mediante tunneling quantistico. Abbiamo scoperto che l'utilizzo di uno strato di due atomi di nitruro di boro ha comportato una polarizzazione di spin molto forte fino al 70%, 10 volte quello che di solito otteniamo."

Nei dispositivi prodotti, la polarizzazione aumenta con la tensione, sfidando l'attuale pensiero che è solo l'influenza ferromagnetica che polarizza lo spin. Anziché, sembrerebbe che sia il tunneling quantistico a polarizzare lo spin nei suoi dispositivi. I ricercatori hanno anche riscontrato un aumento di dieci volte simile nel rilevamento dello spin nello stesso dispositivo. "Quindi, nel complesso, il segnale è aumentato di un fattore 100, ", ha detto Van Wees.

Questo crea molte possibilità. "Ora possiamo iniettare spin nel grafene e misurarli facilmente dopo aver percorso una certa distanza. Un'applicazione potrebbe essere come rilevatore di campi magnetici, che influenzerà il segnale di rotazione."

Un'altra possibilità sarebbe quella di costruire una porta logica di rotazione o un transistor di rotazione. Poiché gli esperimenti con il nuovo dispositivo sono stati condotti a temperatura ambiente, tali applicazioni sono a portata di mano. "Però, " Van Wees dice, 'abbiamo usato il grafene che abbiamo ottenuto per esfoliazione, usando lo scotch per staccare i monostrati da un pezzo di grafite. Questo non è adatto per la produzione su larga scala." Le tecniche per produrre grafene di alta qualità su scala industriale sono al centro del Flagship Graphene.

Il professor Vladimir Falko della Graphene Flagship afferma:"L'incapsulamento del grafene nel nitruro di boro e l'uso di eterostrutture di questi due materiali per nuovi dispositivi, compresi i transistor tunneling, è una tendenza promettente nella ricerca sul grafene che in precedenza ha fornito molti risultati interessanti. L'osservazione riportata porta la spintronica del grafene a un livello qualitativamente nuovo".

Spintronics si concentra sui dispositivi spintronici in grafene a temperatura ambiente, unendo ricerca teorica e sperimentale, ed è visto come un investimento a lungo termine per la Graphene Flagship. Con così tanti progressi compiuti sui singoli elementi per produrre dispositivi spintronici completamente funzionali, il prossimo passo è unirli insieme. Il lavoro recentemente pubblicato dal Professor Saroj Dash, partner di punta del Graphene, della Chalmers University, Svezia, ha mostrato la capacità di controllare la quantità di spin con una tensione di gate, tutto a temperatura ambiente. Facilitare la collaborazione su progetti come questi è un obiettivo centrale del Graphene Flagship.