17 feb. 1999
2 minuten
Om transistoren te maken die werken met de spin van elektronen, is het nodig om een spinstroom aan en uit te kunnen schakelen. Bovendien moet de levensduur van de spins lang genoeg zijn om zich door een circuit te kunnen verplaatsen. RUG onderzoekers hebben nu een belangrijke stap gezet om aan beide criteria te kunnen voldoen. Daarvoor gebruikten zij een schakeling gebaseerd op een dubbele laag grafeen bovenop een laag wolfraam-disulfide.
De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physics Review B.
Grafeen is een prima geleider van elektronenspins, maar het is lastig om de spinstromen te beïnvloeden in dit materiaal. Uit eerder werk uit de groep Fysica van Nanodevices van de RUG, onder leiding van Bart van Wees, blijkt dat er wel controle mogelijk is van spinstromen wanneer het grafeen op een laagje wolfraam-disulfide (ook een 2D materiaal) ligt.
Dubbele laag
"Het probleem is alleen dat hierdoor de levensduur van de spins afneemt", zegt postdoc Siddhartha Omar. De wolfraam-atomen beïnvloeden de elektronen in het grafeen, waardoor de spinstromen uitdoven. Daarom maakte Omar een opstelling waarin een dubbele laag grafeen op het wolfraam-disulfide ligt, met het idee dat de elektronen in de bovenste laag de invloed van het wolfraam minder sterk ‘voelen’.
Daarnaast gebruikte Omar nog een nieuwe techniek waarbij hij twee verschillende typen spinstroom door het grafeen stuurde. De spin is een magnetisch moment dat een bepaalde richting heeft. In normale materialen wijst dit magnetisch moment alle kanten op. Maar in een spinstroom is er – net als in een magneet – een voorkeursrichting aanwezig. Ten opzichte van het materiaal waar de elektronen doorheen gaan kunnen de spins in- of juist uit het vlak gericht zijn.
Energieniveau
"Wij ontdekten dat bij de elektronen die door de buitenste laag grafeen gaan, de spins die in het vlak lagen snel uitdoofden. Dat gebeurde in picoseconden. Maar de levensduur van de spins die uit het valk lagen bleven honderd keer langer bestaan." Dit betekent dat zelfs in de aanwezigheid van wolfraam-disulfide, één component van de spinstroom (namelijk de spins die uit het vlak liggen) zich ver genoeg kunnen verplaatsen om bijvoorbeeld bruikbaar te zijn in een transistor.
Het energieniveau van de spinstromen die Omar zag in de experimenten zorgde ervoor dat ze vooral door de bovenste grafeenlaag stroomden. Dat energieniveau is op te hogen met behulp van een elektrisch veld, en daardoor verplaatsen de elektronen zich naar de onderste laag grafeen. "En daar voelen de spins het volle effect van de wolfraamatomen, waardoor de spinstroom snel uitdooft." Op die manier is het mogelijk spintromen uit te schakelen met een elektrisch veld. Dit is een manier om de ‘gate’ (poortstroom) na te bootsen in een spin-transistor.
"Het is ons helaas nog niet gelukt om het elektrisch veld in onze opstelling sterk genoeg te maken om dit effect te zien. Dat ligt aan enkele technische beperkingen in de manier waarop onze opstelling gemaakt is. Maar we hebben nu wel laten zien dat het mogelijk is om spinstromen door een materiaal van grafeen en wolfraam-disulfide te sturen. Dat is weer een belangrijke stap richting een werkende spintransistor."
Anderen lazen ook
