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荷蘭研究人員利用磁性石墨烯實現(xiàn)二維自旋邏輯存儲器技術(shù)

2021-05-08 09:06  來源:cnBeta.COM  瀏覽:  

在自旋電子學中,電子的磁矩(自旋)被用來傳輸和操縱信息。一個超緊湊的二維自旋邏輯電路可以由二維材料構(gòu)建,它可以遠距離傳輸自旋信息,也可以提供電荷電流的強自旋極化。格羅寧根大學(荷蘭)和哥倫比亞大學(美國)的物理學家的實驗表明,磁性石墨烯可以成為這些二維自旋邏輯設(shè)備的最終選擇,因為它可以有效地將電荷轉(zhuǎn)換為自旋電流,并且可以長距離傳輸這種強自旋極化。

這一發(fā)現(xiàn)于今天(2021年5月6日)發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》上。

自旋電子器件是目前電子器件的頗有前景的高速和節(jié)能替代品。這些設(shè)備利用電子的磁矩即所謂的自旋("向上"或 "向下")來傳輸和存儲信息。記憶技術(shù)的不斷縮減需要越來越小的自旋電子器件,因此它尋求能夠主動產(chǎn)生大自旋信號并在微米級的距離上傳輸自旋信息的原子級薄材料。

十多年來,石墨烯一直是傳輸自旋信息的最有利的二維材料。然而,石墨烯本身不能產(chǎn)生自旋電流,除非它的特性被適當?shù)匦薷?。實現(xiàn)這一目標的方法之一是使其作為一種磁性材料。磁性將有利于一種自旋的通過,從而在自旋上升與自旋下降的電子數(shù)量上產(chǎn)生不平衡。在磁性石墨烯中,這將帶來一個高度自旋極化的電流。

第一作者Talieh Ghiasi(右)和第二作者Alexey Kaverzin在Zernike高級材料研究所的納米器件物理實驗室。資料來源:格羅寧根大學

這個想法現(xiàn)在已經(jīng)被格羅寧根大學教授領(lǐng)導的納米器件物理小組的科學家們在實驗中證實。由格羅寧根大學Zernike先進材料研究所的Bart van Wees教授領(lǐng)導的納米器件物理學小組的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)證實了這個想法。當他們將石墨烯靠近二維層狀反鐵磁體CrSBr時,他們可以直接測量由磁性石墨烯產(chǎn)生的大量自旋極化電流。

在傳統(tǒng)的基于石墨烯的自旋電子器件中,鐵磁(鈷)電極被用來向石墨烯注入和檢測自旋信號。論文第一作者Talieh Ghiasi解釋說,與此相反,在由磁性石墨烯構(gòu)建的電路中,自旋的注入、傳輸和檢測都可以由石墨烯本身完成。我們檢測到磁性石墨烯中14%的電導率的異常大的自旋極化,這也有望通過橫向電場進行有效調(diào)控。這一點,加上石墨烯出色的電荷和自旋傳輸特性,可以實現(xiàn)全石墨烯二維自旋邏輯電路,其中僅磁性石墨烯就可以注入、傳輸和檢測自旋信息。

此外,在任何電子電路中發(fā)生的不可避免的熱耗散在這些自旋電子器件中被轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢。由于焦耳加熱,磁性石墨烯中的溫度梯度被轉(zhuǎn)換為自旋電流。這是由自旋相關(guān)的塞貝克效應(yīng)發(fā)生的,實驗中也首次在石墨烯中觀察到這種效應(yīng)。磁性石墨烯有效地產(chǎn)生自旋電流的電和熱,有望為二維自旋電子和自旋卡洛里特技術(shù)帶來實質(zhì)性的進展。

此外,石墨烯中的自旋輸運對鄰近的反鐵磁體最外層的磁行為高度敏感。這意味著這種自旋輸運測量能夠讀出單個原子層的磁化。因此,基于石墨烯的磁性裝置不僅解決了二維存儲器和傳感系統(tǒng)中石墨烯磁性的最技術(shù)相關(guān)問題,而且還提供了對磁性物理學的進一步深入了解。

這些結(jié)果的未來影響將在歐盟石墨烯旗艦計劃的背景下進行研究,該計劃致力于石墨烯和二維材料的新應(yīng)用。

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