Kwantumspinstromen waargenomen in grafeen

Aan de TU Delft zijn voor het eerst kwantum spinstromen in grafeen waargenomen zonder gebruik te maken van magnetische velden. Deze stromen zijn nodig voor spintronica.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.

Kwantumfysicus Talieh Ghiasi heeft het quantum spin Hall (QSH) effect in grafeen voor het eerst aangetoond zonder externe magnetische velden. Het QSH-effect laat elektronen langs de randen van het grafeen bewegen zonder belemmering, terwijl al hun spins in dezelfde richting wijzen.

Kwantumtransport in grafeen vereist doorgaans toepassing van grote externe magnetische velden, die niet compatibel zijn met elektronische schakelingen. De wetenschappers konden de noodzaak voor externe velden omzeilen door het grafeen bovenop een magnetisch materiaal te plaatsen: CrPS₄. Deze magnetische laag veranderde de elektronische eigenschappen van het grafeen aanzienlijk, wat het QSH-effect in grafeen in gang zette. Ghiasi: “Het spintransport wordt beïnvloed door het naburige CrPS₄, waardoor de stroom van elektronen in het grafeen afhankelijk wordt van de spin-richting van de elektronen.”

Behoud van spininformatie

De spinstromen in het gestapelde grafeen-CrPS₄ zijn ‘topologisch’ beschermd. Dat betekent dat het spinsignaal coherent over tientallen micrometers lange afstanden reist zonder de spininformatie in het circuit te verliezen. “Deze topologisch beschermde spinstromen zijn bestand tegen verstoringen en defecten, waardoor ze zelfs in onvolmaakte omstandigheden betrouwbaar zijn,” zegt Ghiasi. Het behouden van een spin-signaal zonder verlies van informatie is essentieel voor het bouwen van spintronica-circuits.