Aktuality

Európsky výskumný tím vedený fyzikmi zo Slovenskej akadémie vied teoreticky navrhol nový prístup k prepínaniu spinových prúdov v graféne jeho spojením s feroelektrickou monovrstvou In₂Se₃. Z výpočtov pomocou prvých princípov a metódy tesnej väzby výskumníci ukázali, že feroelektrické prepínanie In₂Se₃ môže otočiť smer spinového prúdu v graféne a pôsobiť ako elektrický spinový spínač. Tento objav ponúka novú cestu k energeticky úsporným spintronickým zariadeniam bez magnetického poľa, čo predstavuje kľúčový krok k výrobe logických a pamäťových systémov novej generácie založených na spinových textúrach.

V priebehu posledných dvoch desaťročí sa spintronika stala jednou z najsľubnejších oblastí v nanoelektronike, ktorá sa snaží využiť vnútorný moment hybnosti respektíve spin elektrónov na prenos a spracovanie informácií. Na rozdiel od konvenčnej elektroniky založenej na náboji, logika a pamäť založená na spine sľubujú zníženie spotreby energie a disipácie tepla popri zvýšeným nárokom na operačné rýchlosti.

Napriek rýchlemu pokroku v materiáloch a architektúre nových zariadení stále je prítomná zásadná prekážka: dosiahnutie presnej, nízkoenergetickej elektrickej kontroly spinových prúdov bez použitia externého magnetického poľa. Magnetická manipulácia, hoci je účinná, predstavuje veľké výzvy pre škálovateľnosť zariadení, energetickú účinnosť a kompatibilitu s existujúcimi polovodičovými technológiami.

V tejto súvislosti dvojrozmerné (2D) materiály otvorili novú oblasť, kde grafén je jedným z najpopulárnejších predstaviteľov.

Grafén s výnimočnou elektronickou mobilitou a dlhým časom spinovej relaxácie je hlavným aktérom pre spintroniku. Jeho slabá spinovo-orbitálna väzba však obmedzuje priamu kontrolu spinu. Na prekonanie tohto nedostatku sa výskumníci zamerali na van der Waalsove heteroštruktúry. Spojenie grafénu s inými 2D materiálmi je možné indukovať nové funkčné vlastnosti prostredníctvom efektov blízkosti.

Výnimočnou je heteroštruktúra grafénu a feroelektrického materiálu, ktorého spontánnu elektrickú polarizáciu je možné riadiť aplikovaním napätia. Keď sa feroelektrický materiál dostane do kontaktu s grafénom, jeho elektrický dipól môže narušiť inverznú symetriu na ich spoločnom rozhraní. Táto blízkosť v princípe môže ovplyvniť orientáciu spinu a jeho čisto elektrické prepínanie.

Skupina výskumníkov, berúc do úvahy tento koncept, predstavila novú platformu heteroštruktúr grafénu/In₂Se₃, kde efekty blízkosti vyvolané feroelektrickou polarizáciou In₂Se₃ modulujú spinovo-orbitálnu väzbu v graféne. Pomocou výpočtov z prvých princípov a simulácií metódou tesnej väzby ukázali, že zmena smeru polarizácie In₂Se₃ obracia znamienko Rashba-Edelsteinovho efektu, čím sa mení chiralita spinových textúr a smer spinového prúdu. Táto modulácia nastáva bez magnetických polí a so zanedbateľným výkonom po nastavení polarizácie.

Výskumný tím skúmal heteroštruktúry grafénu/In₂Se₃ v dvoch konfiguráciách: dokonale zarovnané rozhranie (0°) a skrútená geometria (17,5°). Prostredníctvom podrobných výpočtov elektrónových štruktúr zistili, že zmena feroelektrickej polarizácie monovrstvy In₂Se₃ obracia znamienko koeficientu konverzie náboja na spin, čím pôsobí ako elektrický „chirálny prepínač“ pre spinové prúdy v graféne. Pri nulovom skrútení systém vykazuje konvenčný Rashba-Edelsteinov efekt (REE), kde aplikovaný nábojový prúd generuje priečnu akumuláciu spinu, ktorej smer je viazaný na feroelektrickú polarizáciu. Pri 17,5° systém prechádza do režimu, v ktorom dominuje nekonvenčný Rashba-Edelsteinov efekt (UREE), v ktorom je spinový prúd takmer kolineárny s tokom náboja v dôsledku vzniku radiálneho Rashba poľa, čo je nový jav, ktorý bol predtým v planárnych grafénových systémoch nedosiahnuteľný.

Publikované výsledky poskytujú teoretický základ pre realizáciu spinových tranzistorov na báze grafénu riadených feroelektrickým prepínaním, čo potenciálne umožňuje vytvorenie spinových logických a pamäťových zariadení novej generácie s nízkou spotrebou energie a vysokou rýchlosťou. Štúdia približuje integráciu dvojrozmerných feroelektrických materiálov s grafénom v nových spintronických zariadeniach.

Budúce úsilie by sa malo zamerať na experimentálne overenie navrhovaných výsledkov s cieľom plne realizovať elektricky riadené, nevolatilné spintronické zariadenia s nízkou spotrebou energie a vysokou rýchlosťou.

Výskum bol nedávno publikovaný v online vydaní Materials Futures, významného medzinárodného časopisu v oblasti interdisciplinárneho výskumu materiálových vied.

Spracoval: Martin Gmitra, Ústav experimentálnej fyziky SAV, v. v. i.

Zdroj: Marko Milivojević, Juraj Mnich, Paulina Jureczko, Marcin Kurpas, Martin Gmitra. Ferroelectric switching control of spin current in graphene proximitized by In₂Se₃. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/ae18ea

Foto: eurekalert.org/multimedia/1101276