Physiker der National University of Singapore haben ein Konzept erfunden, das die Spinaufspaltung in zweidimensionalen Materialien induzieren und direkt quantifizieren kann. Mithilfe dieses Konzepts erreichten sie experimentell eine große Abstimmbarkeit und einen hohen Grad an Spinpolarisation in Graphen. Dieses Forschungsergebnis hat das Potenzial, die Entwicklung des Gebiets der zweidimensionalen Spinelektronik voranzutreiben und auf die Elektronik mit geringer Leistung anzuwenden.

Forscher der National University of Singapore zeigten, dass in Graphen auf dem ferromagnetischen Isolieroxid Tm3Fe5O12 (TmIG) eine starke Spinpolarisation mit Spinaufspaltungsenergien von bis zu Hunderten von MeV auftritt. Das in Graphen beobachtete Spinpolarisationsphänomen mit großer und einstellbarer Spinaufspaltungsenergie weckt große Hoffnungen für die Anwendung zweidimensionaler Spintronik im Bereich der Elektronik mit geringer Leistung. Quelle: National University of Singapore

Eine große Herausforderung für moderne Elektronikgeräte, insbesondere Geräte wie PCs und Smartphones, ist die Erzeugung von Wärmeenergie, wenn ein elektrischer Strom durch ein Material fließt, wodurch die Temperatur des Materials ansteigt.

Eine mögliche Lösung besteht darin, in Logikschaltungen Spin anstelle von Ladung zu verwenden. Da die Joule-Erwärmung reduziert oder eliminiert wird, könnten diese Schaltkreise prinzipiell einen geringen Stromverbrauch und ultraschnelle Geschwindigkeiten bieten. Daraus entstand das aufstrebende Gebiet der Spintronik.

Graphen ist aufgrund seiner langen Spin-Diffusionslänge und langen Spin-Lebensdauer, selbst bei Raumtemperatur, ein ideales 2D-Material für die Spintronik. Obwohl Graphen selbst keine Spinpolarität aufweist, kann die Platzierung in der Nähe eines magnetischen Materials dazu führen, dass es ein Spinaufspaltungsverhalten zeigt. Derzeit bestehen jedoch zwei große Herausforderungen. Zum einen fehlt eine direkte Methode zur Bestimmung der Spinaufspaltungsenergie, zum anderen sind die Spineigenschaften und die Einstellbarkeit von Graphen begrenzt.

Durchbruch in der Graphen-Spintronik

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Arido vom Fachbereich Physik der National University of Singapore hat ein innovatives Konzept vorgeschlagen, um die Spinspaltungsenergie in magnetischem Graphen mithilfe der Landau-Sektorverschiebung direkt zu quantifizieren. Die Landau-Sektorverschiebung ist die Verschiebung des Achsenabschnitts bei der Darstellung einer linearen Anpassung der Schwingungsfrequenz gegenüber dem Ladungsträger, die durch die Aufspaltung der Energieniveaus geladener Teilchen in einem Magnetfeld verursacht wird. Es kann verwendet werden, um die grundlegenden Eigenschaften von Materie zu untersuchen.

Diagramm, das die Diffusion spinpolarisierter Elektronen in einer Graphenschicht auf dem ferromagnetischen Isolieroxid Tm3Fe5O12 (TmIG) zeigt. Die starke Austauschwechselwirkung zwischen Graphen und TmIG führt zu einer erheblichen Spinaufspaltung in der Graphenbandstruktur. Diese Spinaufspaltung führt wiederum zu großen Unterschieden in den Ladungsträgerdichten, deren Spinrichtungen mit „Spin up“ (Corporate) und „Spin Down“ (↓) bezeichnet werden. Dieser Unterschied in der Ladungsträgerdichte führt zur Erzeugung eines spinpolarisierten Stroms. Quelle: Advanced Materials

Darüber hinaus kann die induzierte Spinspaltungsenergie durch eine Technik namens Feldkühlung über einen weiten Bereich eingestellt werden. Die in Graphen beobachtete hohe Spinpolarisation bietet in Verbindung mit der Einstellbarkeit seiner Spinspaltungsenergie einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung zweidimensionaler Spintronik für elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Experimentelle Verifizierung und theoretische Unterstützung

Um ihre Methode zu validieren, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch. Sie schufen die magnetische Graphenstruktur, indem sie zunächst eine einzelne Graphenschicht auf das magnetisch isolierende Oxid Tm3Fe5O12 (TmIG) stapelten. Diese einzigartige Struktur ermöglichte es ihnen, den Spinspaltungsenergiewert von 132 meV in magnetischem Graphen mithilfe der Landau-Sektorverschiebung direkt zu quantifizieren.

Um den direkten Zusammenhang zwischen der Landau-Sektorverschiebung und der Spinspaltungsenergie weiter zu bestätigen, führten die Forscher Feldkühlungsexperimente durch, um den Grad der Spinspaltung in Graphen abzustimmen. Sie wandten außerdem die Technologie des röntgenmagnetischen Zirkulardichroismus (röntgenmagnetischer Zirkulardichroismus) an der Singapore Synchrotron Light Source an, um den Ursprung der Spinpolarisation aufzudecken.

„Unsere Arbeit löst eine langjährige Kontroverse in der zweidimensionalen Spintronik, indem sie das Konzept vorschlägt, die Landau-Sektorverschiebung zur direkten Quantifizierung der Spinaufspaltung in magnetischen Materialien zu nutzen“, sagte Dr. Wu Junxiong, Erstautor der Forschungsarbeit und leitender Forscher am Fachbereich Physik der National University of Singapore.

Um ihre experimentellen Ergebnisse weiter zu untermauern, arbeiteten die Forscher mit einem theoretischen Team unter der Leitung von Professor Qiao Zhenhua von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China zusammen, um die Spinspaltungsenergie anhand erster Prinzipien zu berechnen. Die erhaltenen theoretischen Ergebnisse stimmen mit den experimentellen Daten überein. Darüber hinaus nutzten sie maschinelles Lernen, um experimentelle Daten auf der Grundlage eines phänomenologischen Modells anzupassen und so ein tieferes Verständnis für die Einstellbarkeit der Spinspaltungsenergie durch Feldkühlung zu gewinnen.

Professor Ariando sagte: „Unsere Arbeit entwickelt einen leistungsstarken und einzigartigen Weg zur Erzeugung, Erkennung und Manipulation von Elektronenspins in atomar dünnen Materialien. Sie demonstriert auch die praktische Anwendung künstlicher Intelligenz in der Materialwissenschaft. Angesichts der rasanten Entwicklung und des großen Interesses am Bereich des stapelinduzierten Magnetismus in 2D-Magneten und atomar dünnen Van-der-Waals-Heterostrukturen glauben wir, dass unsere Ergebnisse auf eine Vielzahl anderer 2D-Magnetsysteme übertragen werden können.“

Aufbauend auf dieser Proof-of-Concept-Studie plant das Team, die Manipulation von Spinströmen bei Raumtemperatur zu untersuchen. Ihr Ziel ist es, ihre Forschungsergebnisse auf die Entwicklung zweidimensionaler Spin-Logik-Schaltkreise und magnetischer Speicher-/Sensorgeräte anzuwenden. Die Fähigkeit, die Spinpolarisation von Strömen effektiv zu regulieren, legt den Grundstein für die Realisierung vollelektrischer Spin-Feldeffekttransistoren und läutet eine neue Ära elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch und ultrahoher Geschwindigkeit ein.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily