Фізики з Національного університету Сінгапуру розробили інноваційну концепцію індукції та прямої кількісної оцінки спінового розщеплення у двовимірних матеріалах. Використовуючи цю концепцію, вони експериментально досягли великої настроюваності та високого ступеня спінової поляризації в графені. Це досягнення потенційно може просунути сферу двовимірної (2D) спінтроніки із застосуванням для малопотужної електроніки.
Джоулеве нагрівання становить серйозну проблему для сучасної електроніки, особливо для таких пристроїв, як персональні комп’ютери та смартфони. Це ефект, який виникає, коли потік електричного струму, що проходить через матеріал, виробляє теплову енергію, згодом підвищуючи температуру матеріалу.
Одне з потенційних рішень передбачає використання обертання замість заряду в логічних схемах. Ці схеми, в принципі, можуть запропонувати низьке енергоспоживання та надвисоку швидкість завдяки зменшенню або виключенню Джоулева нагрівання. Це дало початок новому напряму спінтроніки.
Графен є ідеальним 2D-матеріалом для спінтроніки завдяки великій довжині спінової дифузії та довгому терміну служби спіну навіть за кімнатної температури. Навіть незважаючи на те, що графен за своєю суттю не є спін-поляризованим, його можна спонукати до розщеплення спіну, розмістивши його поблизу магнітних матеріалів. Однак є дві основні проблеми. Не вистачає прямих методів для визначення енергії розщеплення спіну та обмеження спінових властивостей графену та можливості налаштування.
Прорив у графеновій спінтроніці
Дослідницька група під керівництвом професора Аріандо з кафедри фізики NUS розробила інноваційну концепцію прямого кількісного визначення енергії розщеплення спіну в магнітному графені за допомогою зсуву віяла Ландау. Зміщення віяла Ландау відноситься до зміщення точки перехоплення під час побудови лінійних підгонок частоти коливань з носіями заряду, яке відбувається внаслідок розщеплення рівнів енергії заряджених частинок у магнітному полі. Його можна використовувати для вивчення фундаментальних властивостей матерії.
https://s3.eu-central-1.amazonaws.com/media.my.ua/feed/74/b9936ea98cdbd4714be496b6931643fc.jpg
На малюнку показано дифузію спін-поляризованих електронів у шарі графену, розміщеному поверх феримагнітного ізоляційного оксиду Tm3Fe5O12 (TmIG). Сильна обмінна взаємодія між графеном і TmIG призводить до значного спінового розщеплення зонної структури графену. Це спінове розщеплення, у свою чергу, призводить до суттєвої різниці в щільності носіїв заряду з орієнтаціями спінів, позначеними як «спін вгору» (↑) і «спін вниз» (↓).
Ця різниця в густині носіїв призводить до генерації спін-поляризованого струму
Крім того, індуковану енергію спінового розщеплення можна регулювати в широкому діапазоні за допомогою техніки, яка називається охолодженням поля. Спостережувана висока спінова поляризація в графені в поєднанні з його можливістю регулювання енергії розщеплення спіну пропонує багатообіцяючий шлях для розвитку 2D спінтроніки для малопотужної електроніки.
Висновки нещодавно були опубліковані в журналі Advanced Materials.
Експериментальна перевірка та теоретична підтримка
Дослідники провели серію експериментів, щоб підтвердити свій підхід. Вони почали зі створення магнітної графенової структури шляхом укладання моношарового графену поверх магнітного ізоляційного оксиду Tm3Fe5O12(TmIG). Ця унікальна структура дозволила їм використати зсув віяла Ландау для прямого кількісного визначення його значення енергії спінового розщеплення 132 меВ у магнітному графені.
Щоб додатково підтвердити прямий зв’язок між зрушенням вентилятора Ландау та енергією спін-розщеплення, дослідники провели експерименти з охолодженням у полі, щоб налаштувати ступінь спін-розщеплення в графені. Вони також застосували рентгенівський магнітний круговий дихроїзм на Сінгапурському синхротронному джерелі світла, щоб виявити походження спінової поляризації.
Доктор Junxiong HU, старший науковий співробітник кафедри фізики NUS і провідний автор дослідницької статті, сказав: «Наша робота вирішує давні суперечки щодо 2D спінтроніки, розробляючи концепцію, яка використовує зсув віяла Ландау для прямого кількісного визначення. спінове розщеплення в магнітних матеріалах».
Для подальшого підтвердження своїх експериментальних висновків дослідники співпрацювали з теоретичною групою під керівництвом професора Женьхуа ЦЯО з Університету науки і технологій Китаю, щоб обчислити енергію розщеплення спіну за допомогою розрахунків першого принципу.
Отримані теоретичні результати узгоджувалися з їх експериментальними даними. Більше того, вони також використовували машинне навчання , щоб узгодити свої експериментальні дані на основі феноменологічної моделі, яка забезпечує глибше розуміння настроюваності спін-розщеплюваної енергії шляхом охолодження поля.
Професор Аріандо сказав: «Наша робота розробляє надійний і унікальний шлях для генерації, виявлення та маніпулювання спіном електронів в атомарно тонких матеріалах. Він також демонструє практичне використання штучного інтелекту в матеріалознавстві. У зв’язку зі швидким розвитком і значним інтересом до галузі 2D-магнетиків і магнетизму, індукованого стекінгом, в атомарно тонких гетероструктурах Ван-дер-Ваальса, ми вважаємо, що наші результати можна поширити на різні інші 2D-магнітні системи».
Спираючись на це дослідження підтвердження концепції, дослідницька група планує вивчити маніпуляції спіновим струмом при кімнатній температурі. Їхня мета — застосувати свої висновки в розробці двовимірних спін-логічних схем і пристроїв магнітної пам’яті/сенсорів. Здатність ефективно регулювати спінову поляризацію струму є основою для реалізації повністю електричних спінових польових транзисторів, відкриваючи нову еру низького енергоспоживання та надшвидкої електроніки.