Magnetische stromen in grafeen nu eenvoudig te detecteren

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) hebben een techniek ontwikkeld om het magnetische moment van elektronen (de spin) eenvoudig te meten met behulp van niet-magnetische contacten. Ze toonden de techniek aan in grafeen, een laag koolstof van één atoom dik. Het gebruik van niet-magnetische contacten kan simpelere ontwerpen opleveren voor nanoapparaten die spinstroom gebruiken. Dergelijke apparaten worden tegenwoordig gebruikt in harde schijven om ze sneller en efficiënter te maken. De onderzoekers publiceerden hun resultaten 12 februari online in het gerenommeerde tijdschrift Nature Physics.

Grafeen is een twee-dimensionaal materiaal met uitstekende eigenschappen voor het transport van lading en spin, de twee fundamentele eigenschappen van een elektron. Het materiaal is niet magnetisch, dus om spin-transport in grafeen te bestuderen moet er eerst magnetische informatie 'toegevoegd' worden. Hiervoor stuurden de onderzoekers elektrische stroom door magnetische contacten, die de spin van de elektronen in het grafeen allemaal in dezelfde richting zetten. Doordat de elektronen bewegen, resulteert dit in een spinstroom. Om deze stroom te benutten in apparaten moet die ook gedetecteerd worden. Dit kon tot nu toe alleen met andere magnetische contacten verderop in het circuit, maar kan nu ook met (eenvoudigere) niet-magnetische contacten.

Informatie vertalen

De detectietechniek is gebaseerd op een nieuwe fysisch mechanisme dat spinstroom (weer terug) omzet in een  ladingsspanning in het grafeen. Die spanning kan direct gemeten worden met behulp van niet-magnetische contacten. Deze vertaalslag lijkt op de omzetting van warmte in elektrische stroom, zoals dat gebeurt in thermo-elektrische generatoren die restwarmte gebruiken om elektronische circuits aan te drijven. Beide processen maken gebruik van zogenaamde energie-afhankelijke geleiding van de elektronen. Dat houdt in dat de energie van de elektronen bepaalt hoe makkelijk ze bewegen, en dus hoe goed het materiaal (in dit geval grafeen) geleidt. De energie van het elektron is dan weer afhankelijk van zijn magnetische eigenschappen of - in het geval van de thermo-elektrische generatoren - de warmte van het materiaal.

Spintronica

De resultaten zijn belangrijk voor de ontwikkeling van spin-elektronica of 'spintronica', een nieuw onderzoeksgebied dat de rol van het magnetisch moment van elektronen in elektronische apparaten bestudeert. Apparaten gebaseerd op deze magnetische eigenschappen zijn in potentie sneller en efficiënter.

Meer informatie

Meer informatie:
Bart van Wees
Ivan Vera Marun

Zie ook: www.nanodevices.nl

Referentie
'Nonlinear detection of spin currents in graphene with non-magnetic electrodes', I. J. Vera-Marun, V. Ranjan and B. J. van Wees, Nature Physics (2012) DOI: 10.1038/NPHYS2219