Ricercatori presso la Chalmers University of Technology, Svezia, hanno dimostrato l'effetto spin-galvanico, che consente la conversione della densità di spin non in equilibrio in una corrente di carica. Qui, combinando il grafene con un isolante topologico, gli autori realizzano un effetto spin-galvanico sintonizzabile a temperatura ambiente. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

"Riteniamo che questa realizzazione sperimentale attirerà molta attenzione scientifica e metterà gli isolanti topologici e il grafene sulla mappa per le applicazioni nelle tecnologie spintroniche e quantistiche, " afferma il Professore Associato Saroj Prasad Dash, che guida il gruppo di ricerca presso il Quantum Device Physics Laboratory (QDP), il Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze—MC2.

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, possiede straordinarie proprietà elettroniche e di trasporto di spin. Però, gli elettroni in questo materiale sperimentano una bassa interazione dei loro momenti angolari di spin e orbitali, chiamato accoppiamento spin-orbita, che non consente di ottenere funzionalità spintronica sintonizzabili nel grafene incontaminato. D'altra parte, le trame di spin elettroniche uniche e il fenomeno di blocco dello spin-momentum negli isolanti topologici sono promettenti per la spintronica e le tecnologie quantistiche guidate da spin-orbita emergente. Però, l'utilizzo di isolatori topologici pone diverse sfide legate alla loro mancanza di sintonizzabilità del gate elettrico, interferenza da banali stati di massa, e distruzione delle proprietà topologiche alle interfacce eterostrutturali.

"Qui, affrontiamo alcune di queste sfide integrando il grafene bidimensionale con un isolante topologico tridimensionale nelle eterostrutture di van der Waals per sfruttare le loro notevoli proprietà spintroniche e progettare un effetto spin-galvanico indotto dalla prossimità a temperatura ambiente, "dice Dmitrii Khokhriakov, dottorato di ricerca Studente presso QDP, e primo autore dell'articolo.

Poiché il grafene è atomicamente sottile, le sue proprietà possono essere drasticamente modificate quando altri materiali funzionali vengono messi a contatto con esso, noto come effetto di prossimità. Perciò, le eterostrutture a base di grafene sono un concetto di dispositivo entusiasmante poiché mostrano una forte sintonizzabilità del gate degli effetti di prossimità derivanti dalla sua ibridazione con altri materiali funzionali. In precedenza, combinando il grafene con isolanti topologici nelle eterostrutture di van der Waals, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbe essere indotto un forte accoppiamento spin-orbita indotto dalla prossimità, che dovrebbe produrre uno spin-splitting Rashba nelle bande di grafene. Come conseguenza, il grafene vicino dovrebbe ospitare l'effetto spin-galvanico, con la sintonizzabilità anticipata della sua grandezza e del suo segno. Però, questo fenomeno non è stato osservato in precedenza in queste eterostrutture.

"Per realizzare questo effetto spin-galvanico, abbiamo sviluppato uno speciale dispositivo tipo Hall-bar di eterostrutture isolanti topologico-grafene, "dice Dmitrii Khokhriakov.

I dispositivi sono stati nanofabbricati nella camera bianca all'avanguardia dell'MC2 e misurati presso il Quantum Device Physics Laboratory. Il nuovo concetto di dispositivo ha permesso ai ricercatori di eseguire misurazioni complementari in varie configurazioni tramite esperimenti di spin switch e di precessione di spin Hanle, dando una prova univoca dell'effetto spin-galvanico a temperatura ambiente.

"Inoltre, siamo stati in grado di dimostrare una forte accordabilità e un cambiamento di segno dell'effetto galvanico di spin da parte del campo elettrico di gate, che rende tali eterostrutture promettenti per la realizzazione di dispositivi spintronici completamente elettrici e sintonizzabili su gate, " conclude Saroj Prasad Dash.