I fisici dell'Università di Groningen hanno costruito un transistor di spin bidimensionale, in cui le correnti di spin sono state generate da una corrente elettrica attraverso il grafene. Un monostrato di un dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD) è stato posizionato sopra il grafene per indurre la conversione da carica a spin nel grafene. Questa osservazione sperimentale è stata descritta nel numero della rivista Nano lettere pubblicato l'11 settembre 2019.

La spintronica è un modo alternativo interessante di creare dispositivi elettronici a bassa potenza. Non si basa su una corrente di carica ma su una corrente di spin di elettroni. Lo spin è una proprietà quantomeccanica di un elettrone, un momento magnetico che potrebbe essere utilizzato per trasferire o memorizzare informazioni.

eterostruttura

Grafene, una forma 2-D di carbonio, è un eccellente trasportatore di spin. Però, per creare o manipolare giri, è necessaria l'interazione dei suoi elettroni con i nuclei atomici:accoppiamento spin-orbita. Questa interazione è molto debole nel carbonio, rendendo difficile generare o manipolare le correnti di spin nel grafene. Però, è stato dimostrato che l'accoppiamento spin-orbita nel grafene aumenterà quando un monostrato di un materiale con atomi più pesanti (come un TMD) viene posizionato sopra, creando un'eterostruttura di Van der Waals.

Nel gruppo Fisica dei nanodispositivi, guidato dal professor Bart van Wees dell'Università di Groningen, dottorato di ricerca lo studente Talieh Ghiasi e il ricercatore post-dottorato Alexey Kaverzin hanno creato una tale eterostruttura. Usando elettrodi d'oro, sono stati in grado di inviare una corrente di carica pura attraverso il grafene e generare una corrente di spin, chiamato effetto Rashba-Edelstein. Ciò accade a causa dell'interazione con gli atomi pesanti del monostrato TMD (in questo caso, disolfuro di tungsteno). Questo noto effetto è stato osservato per la prima volta nel grafene in prossimità di altri materiali 2-D.

simmetrie

"La corrente di carica induce una corrente di spin nel grafene, che potremmo misurare con elettrodi di cobalto ferromagnetico selettivi per lo spin, " dice Ghiasi. Questa conversione da carica a spin consente di costruire circuiti di spin completamente elettrici con grafene. In precedenza, gli spin dovevano essere iniettati attraverso un ferromagnete. "Abbiamo anche dimostrato che l'efficienza della generazione dell'accumulo di spin può essere regolata dall'applicazione di un campo elettrico, " aggiunge Ghiasi. Questo significa che hanno costruito uno spin transistor in cui si può accendere e spegnere la corrente di spin.

L'effetto Rashba-Edelstein non è l'unico effetto che produce una corrente di spin. Lo studio mostra che l'effetto Spin-Hall fa lo stesso, ma che questi giri sono orientati in modo diverso. "Quando applichiamo un campo magnetico, facciamo ruotare gli spin nel campo. Diverse simmetrie dei segnali di spin generati dai due effetti in interazione con il campo magnetico ci aiutano a districare il contributo di ciascun effetto in un sistema, " spiega Ghiasi. Era anche la prima volta che entrambi i tipi di meccanismi di conversione da carica a spin sono stati osservati nello stesso sistema. "Questo ci aiuterà a ottenere informazioni più fondamentali sulla natura dell'accoppiamento spin-orbita in queste eterostrutture. "

Fiore all'occhiello del grafene

Oltre agli spunti fondamentali che lo studio può fornire, costruire un transistor di spin 2-D completamente elettrico (senza ferromagneti) ha un significato considerevole per le applicazioni spintroniche, che è anche un obiettivo dell'UE Flagship Graphene. "Questo è particolarmente vero perché siamo stati in grado di vedere l'effetto a temperatura ambiente. Il segnale di rotazione è diminuito con l'aumento della temperatura, ma era ancora molto presente in condizioni ambientali".