Controle over spin-richting in grafeen

Er zijn nog heel wat technische hordes te overwinnen voordat op grafeen gebaseerde spintronica echt kan doorbreken. De zwakke spin-baan koppeling waardoor het materiaal spinstroom zo goed geleidt, maakt het veranderen van de richting van de spin bijvoorbeeld erg moeilijk.

Zware atoomkernen, zoals in de verbinding molybdeen diselenide (MoSe2), hebben juist een sterke spin-baan koppeling. De zware kernen verstoren de richting van de spin. En net als grafeen heeft dit materiaal een gelaagde kristalstructuur.

Sandwich

Aan de RUG zijn nu laagjes MoSe2 en grafeen op elkaar gestapeld. "Daarmee kregen we spin-baan koppeling in grafeen", vertelt promovendus Talieh Ghiasi.

Het systeem dat zij gebruikte ziet er bedrieglijk eenvoudig uit: een enkel laagje grafeen met een baan MoSe2 erop, het geheel afgedekt met een dubbele laag boornitride. Dat laatste is nodig om te voorkomen dat spins die in het systeem worden gebracht teruggaan naar de elektroden. Bovendien heeft eerder onderzoek uit de groep laten zien dat zo’n dubbele laag het spinsignaal versterkt. Ghiasi plaatste ten slotte ferromagnetische elektroden aan beide zijden van de baan MoSe2 om de spinstroom door de grafeenlaag te meten.

Wat zij zag was dat de MoSe2 baan de spintroom doet afnemen. Maar waar vorige pogingen om een spinstroom te beïnvloeden, werkten door de spins simpelweg uit het grafeen te halen, maakte dit nieuwe experiment gebruik van een ander mechanisme. "De richting van de spins in het grafeen kan in het vlak of uit het vlak wijzen. We gebruikten een magnetisch veld om onderscheid te maken tussen die twee en zagen zo dat het MoSe2 alleen de stroom van spins in het vlak verminderde." Het resultaat was overduidelijk: het spinsignaal daalde van 30 Ohm naar 15 milli-Ohm, wat er op neerkomt dat de spinstroom bijna volledig is gestopt.

Dichterbij

Dat MoSe2 dit zogeheten anisotropische effect op spins heeft is bekend, maar het is voor het eerst dat dit effect is gezien in grafeen. "Het laat zien dat in onze opstelling natuurkundige eigenschappen die we kennen van MoSe2 zijn overgebracht op het grafeen", legt Ghiasi uit. Die overdracht van eigenschappen was door theoretische modellen voorspeld, maar niet eerder in experimenten waargenomen.
Onderzoeksleider Bart van Wees, tevens leider van het spintronica project binnen het EU Graphen Flagship project: "Wat we nu gevonden hebben is een compleet nieuwe manier om de spins van elektronen in grafeen te manipuleren, zonder de spinstroom uit het materiaal te halen." Dit maakt het mogelijk een spinstroom naar believen aan of uit te zetten, bijvoorbeeld door met een elektrisch veld de ‘band gap’ van MoSe2 aan te passen, die bepaalt welk effect het materiaal heeft op de spins. Dit zou op spin gebaseerde elektronica weer een stap dichterbij brengen.