Dubbele laag grafeen geeft efficiënt transport en goede controle van elektronenspin

Natuurkundigen van de RUG hebben, in samenwerking met theoretisch natuurkundigen van de universiteit van Regensburg, een schakeling van dubbellaags grafeen gemaakt waarin elektronenspins lang blijven bestaan en waarin de richting van die spin is te controleren met elektriciteit. Dit kan de weg openen naar toepassingen zoals logische circuits die met spins werken. De resultaten zijn op 20 september gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

De afgelopen zestig jaar is de capaciteit van computersystemen steeds verder toegenomen, waardoor ze nu alle aspecten van ons leven zijn binnengedrongen. Om die ontwikkeling te laten voortduren is de afgelopen decennia vooral gewerkt aan het verkleinen van de elementen waaruit een computerchip bestaat. Die zijn nu soms minder dan 100 atomen groot, zodat de fundamentele grens van deze verkleining in zicht is. Om computersystemen toch sneller en vooral ook energiezuiniger te maken zijn daarom nieuwe concepten nodig.

Een zo’n concept is het gebruik van de spins van elektronen voor transport en opslag van informatie. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, waardoor ze een magnetisch moment hebben dat is te gebruiken voor informatietransport en –opslag. Deze op spins gebaseerde elektronica (spintronica) is al verwerkt in de harde schijf van computers maar kan mogelijk ook de processor revolutionair veranderen.

Controleren

De focus van veel spintronica onderzoek is gericht op het optimaliseren van materiaal voor het transporteren en controleren van spins. Grafeen is een prima geleider van elektronenspins, maar het is erg moeilijk de spins te controleren in dit materiaal, omdat de wisselwerking met de koolstofatomen (de spin-baan koppeling) erg zwak is. In eerder onderzoek van de onderzoeksgroep Fysica van Nanodevices van prof. Bart van Wees is grafeen gecombineerd met het overgangsmetaal molybdeen diselenide, een gelaagd materiaal met een zeer sterke spin-baan koppeling. Die bleek in de gebruikte opstelling te worden overgedragen op het grafeen en dat maakte het mogelijk is de spinstromen te controleren. Het nadeel was alleen dat hierdoor de levensduur van de spins afnam, zodat er minder tijd is voor transport.

In het nieuwe onderzoek lukte het de onderzoekers om de spinstromen te controleren in een dubbele laag grafeen. ‘Dit is voorspeld in een artikel uit 2012, op basis van theorie, maar de technische mogelijkheden om dit effect echt te meten waren er toen nog niet. Die zijn er pas sinds kort’, vertelt Christian Letenantsmeyer, promovendus in de groep van Van Wees en eerste auteur van het artikel in PRL. Dit artikel is een samenwerkingsproject met de theoretische fysica groep van de universiteit van Regensburg (Duitsland).

Het artikel uit 2012 voorspelde dat er een anisotropisch spin transport zou zijn in dubbellaags grafeen, door sterke spin-baan koppeling in de dubbele laag. ‘Anisotropisch’ wil zeggen dat elektronen waarvan de spin in of juist uit het vlak van het materiaal ligt met een verschillende efficiëntie worden getransporteerd. Dit is inderdaad wat er gebeurde in de opstellingen van Leutenantsmeyer en zijn collega’s.

Transistor

Het bleek hierdoor ook mogelijk de spinstroom te controleren omdat spins die in het vlak staan korter leven dan spins die daar loodrecht op staan. Dit is te gebruiken om de spinstroom één spinrichting te geven. De verhouding tussen de levensduur van de spins in het vlak en loodrecht op het vlak was te controleren via een ‘poort’ (als in een transistor) . Leutenantsmeyer: ‘We ontdekten dat de sterkte van de anisotropie vergelijkbaar is met die in de grafeen/molybdeen disulfide combinatie, maar dan met een spin levensduur die honderd keer groter is. Dus hebben we zowel efficiënt spintransport als een effectieve control van de spin richting.’

Het nieuwe onderzoek biedt nieuwe inzichten in de fundamentele eigenschappen van spin-baan koppeling in dubbellaags grafeen. ‘En daarnaast opent het de weg naar een efficiënte elektrische controle van spins in hoge kwaliteit grafeen, wat een mijlpaal is in de ontwikkeling van spintronica.

Referentie: Johannes Christian Leutenantsmeyer, Josep Ingla-Aynés, Jaroslav Fabian and Bart J. van Wees: Observation of spin-valley coupling induced large spin lifetime anisotropy in bilayer graphene. Physical Review Letters 20 september 2018, DOI 10.1103/PhysRevLett.121.127702