About / Advertise
Embryot till en multifunktionell komponent som i framtiden kan svara för både datalagring och processorarbete är vad forskare vid Chalmers kan ha i sin hand. Genom att kombinera grafen med ett annat tvådimensionellt material har de skapat en prototyp till en sorts transistor baserad på spinntronik.
– Det här är första gången som någon kunnat visa att kontroll av spinnströmmen och dess varaktighet fungerar vid rumstemperatur – vilket förstås ökar möjligheterna för olika tillämpningar i framtiden, säger Saroj Dash, som leder forskargruppen på Chalmers.
Spinn och spinntronik |
|
Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner och andra elementarpartiklar. Spinnet är antingen riktat upp eller ner och normalt är fördelningen slumpmässig. Ibland har alla eller flertalet elektroner i ett material sitt spinn orienterat åt samma håll – så uppkommer magnetism. Samordnat spinn är känsligt för störningar och går lätt förlorat, men grafen har visat sig vara en ledare som låter en ström flyta osedvanligt långt med sitt spinn i behåll. Tillräckligt långt för att spinn skulle kunna användas som informationsbärare i framtida logiska komponenter, så kallad spinntronik. |
Även om han inte vill nämna någon specifik framtida tillämpning för tekniken så tror forskarna att den kan komma att användas i komponenter som blir mycket mångsidiga. Speciellt som konceptet innehåller magnetiska minneselement, halvledare och grafen, och samtidigt klarar att hantera spinntronisk omkoppling.
Grunden till forskningsprojektet lades för drygt två år sedan då Chalmersforskarna visade att grafen har spinntroniska egenskaper i rumstemperatur. De visade att det supertunna kolnätet kan förmedla elektroner med samordnat spinn över längre avstånd och bevara det under längre tid än något annat känt material. Upptäckten öppnade för en principiell möjlighet att använda spinn i mikroelektronik.
– Vår nya utmaning blev att hitta ett material som både kan förmedla och kontrollera spinnet. Det är svårt, eftersom dessa båda uppgifter normalt kräver helt motsatta materialegenskaper.
Forskarna valde att kombinera grafen med ett tunt 2D-material – molybdendisulfid (MoS2) – som är ett halvledande ämne och har motsatta spinntroniska egenskaper.
De skapade en heterostruktur. Det betyder att de placerade några lager MoS2 ovanpå ett lager grafen. Därmed kunde de i detalj studera vad som hände med spinnsignalen när elektronerna nådde heterostrukturen.
– För det första reduceras spinnsignalen med en tiopotens bara genom närkontakten med molybdendisulfiden. Men dessutom visar vi hur man genom att tillföra en basspänning över heterostrukturen helt kan eliminera signalen.
Det hela liknar hur en konventionell transistor fungerar.
Anledningen till händelseförloppet är att Schottky-barriären – den naturliga energibarriären mellan materialskikten – minskar när en spänning läggs på. Elektronerna kan därmed kvantmekaniskt tunnla från grafenet in i molybdendisulfiden varmed spinnet blir slumpmässigt fördelat.
Trots likheten till en transistor i halvledarvärlden vill forskarna inte kalla prototypen för en spinntransistor eftersom uttrycket för tankarna till något som bygger på halvledarteknik och koherent kontroll av spinnströmmen.
– Det vi har gjort här fungerar på ett helt annat sätt, men utför samma omkopplingsuppgift, säger Saroj Dash
André Dankert (postdok i forskargruppen) och Saroj Dash har publicerat upptäckten i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications (länk).
Figuren överst i texten visar en experimentuppställning bestående av en heterostruktur av grafen och molybdendisulfid. Genom att lägga en spänning över heterostrukturen går det att styra om strömmen som passerar kommer att innehålla en spinnsignal eller inte.
