17 feb. 1999
2 minuten
Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben een tweedimensionale spintransistor gebouwd, waarin spinstromen worden opgewekt door een elektrische stroom door grafeen. Een monolaag van een overgangs-metaal-dichalcogenide (TMD) werd bovenop een grafeen geplaatst om de omzetting van lading naar spin in het grafeen te induceren.
De experimentele observatie is beschreven in Nano Letters.
Grafeen is een uitstekende spintransporteur. Om spins te maken of te manipuleren, is echter interactie van de elektronen met de atoomkernen nodig: spin-orbit-koppeling. Deze interactie is zeer zwak in koolstof, waardoor het moeilijk is om spinstromen in grafeen te genereren of te manipuleren. Er is echter aangetoond dat spin-baankoppeling in grafeen zal toenemen wanneer een monolaag van een materiaal met zwaardere atomen (zoals een TMD) bovenop wordt geplaatst, waardoor een Van der Waals heterostructuur ontstaat.
In de groep van Bart van Wees creëerden promovendus Talieh Ghiasi en postdoc Alexey Kaverzin een dergelijke heterostructuur. Met behulp van goudelektroden konden ze een zuivere laadstroom door het grafeen sturen en een spinstroom genereren, het Rashba-Edelstein-effect genoemd. Dit gebeurt vanwege de interactie met de zware atomen van de TMD-monolaag (in dit geval wolfraamdisulfide). Dit bekende effect werd voor het eerst waargenomen in grafeen dat zich in de nabijheid van andere 2D-materialen bevond.
"De laadstroom induceert een spinstroom in het grafeen die we konden meten met spin-selectieve ferromagnetische kobaltelektroden", zegt Ghiasi. Deze lading-naar-spin conversie maakt het mogelijk om volledig elektrische spincircuits met grafeen te bouwen. Voorheen moesten de spins door een ferromagneet worden geïnjecteerd. "We hebben ook aangetoond dat de efficiëntie van het genereren van de spinaccumulatie kan worden afgestemd door de toepassing van een elektrisch veld." Dit betekent dat de spinstroom kan worden in- en uitgeschakeld.
Het Rashba-Edelstein-effect is niet het enige effect dat een spinstroom produceert. De studie toont aan dat het Spin-Hall-effect hetzelfde doet, maar dat deze spins anders zijn georiënteerd. "Wanneer we een magnetisch veld toepassen, laten we de spins in het veld draaien. Verschillende symetrieën van de spinsignalen die door de twee effecten in interactie met het magnetische veld worden gegenereerd, helpen ons om de bijdrage van elk effect in één systeem te ontwarren ", legt Ghiasi uit. Het was ook de eerste keer dat beide typen van lading-naar-spin-conversiemechanismen in hetzelfde systeem werden waargenomen. "Dit zal ons helpen om meer fundamentele inzichten te verwerven in de aard van spin-baankoppeling in deze heterostructuren."
Afgezien van de fundamentele inzichten die de studie kan bieden, heeft het bouwen van een volledig elektrische 2D-spintransistor (zonder ferromagneten) een aanzienlijke betekenis voor spintronische toepassingen, wat ook een doelstelling is van het EU-Flagship. "Dit is vooral waar omdat we het effect bij kamertemperatuur konden zien. Het spinsignaal nam af met toenemende temperatuur, maar was nog steeds zeer aanwezig onder omgevingsomstandigheden."
Anderen lazen ook
