Controle over de spin-richting in een ‘sandwich’ van tweedimensionaal materiaal

Elektronen hebben naast hun lading nog een belangrijke eigenschap, de spin, waarmee ze informatie kunnen transporteren. Grafeen is een prima geleider van deze elektronenspin, maar het is erg lastig die spin te manipuleren in dit materiaal van koolstof. Nu hebben RUG-onderzoekers laten zien dat die manipulatie mogelijk is met behulp van molybdeen diselenide. Hun resultaten zijn verschenen in het tijdschrift Nano Letters.

Spin is een kwantum dynamische eigenschap van elektronen. Simpel gezegd, het zorgt ervoor dat zich gedragen als kleine kompasnaaldjes die omhoog of omlaag kunnen wijzen. In principe is het hiermee mogelijk informatie te verplaatsen of op te slaan in zogeheten spintronica, op spin gebaseerde elektronica. Maar er zijn nog heel wat technische hordes te overwinnen voordat op grafeen gebaseerde spintronica echt kan doorbreken.

De wisselwerking van elektronenspins met zware atoomkernen zorgt er bijvoorbeeld voor dat de spinrichting verdwijnt. Dit proces het spin-baan koppeling. In grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof, is die spin-baan koppeling erg zwak, zodat het een ideale geleider van spinstroom is. Het nadeel is echter dat het veranderen van de richting van de spin in grafeen erg moeilijk is.

Stapelen

Daar staan zware atoomkernen zoals in de verbinding molybdeen diselenide (MoSe₂ tegenover, die juist een sterke spin-baan koppeling hebben. De zware kernen verstoren de richting van de spin. Maar net als grafeen heeft dit materiaal uit een gelaagde kristalstructuur. Het is mogelijk laagjes MoSe₂ en grafeen op elkaar te stapelen. ‘We hebben onderzocht of we met behulp van deze methode spin-baan koppeling konden krijgen in grafeen’, vertelt Talieh Ghiasi, promovendus aan de afdeling Fysica van Nanodevices die onder leiding staat van professor Bart van Wees.

Het systeem dat zij gebruikte ziet er bedrieglijk eenvoudig uit: een enkel laagje grafeen met een baan MoSe₂ erop, het geheel afgedekt met een dubbele laag boornitride. Dat laatste is nodig om te voorkomen dat spins die in het systeem worden gebracht teruggaan naar de elektroden. Daarnaast heeft eerder onderzoek uit de groep laten zien dat zo’n dubbele laag het spinsignaal versterkt. Ghiasi plaatste ten slotte ferromagnetische elektroden aan beide zijden van de baan MoSe₂ om de spinstroom door de grafeenlaag te meten.

Wat zij zag was dat de MoSe₂ baan de spintroom doet afnemen. Maar waar vorige pogingen om een spinstroom te beïnvloeden werkten door de spins simpelweg uit het grafeen te halen, maakte dit nieuwe experiment gebruik van een ander mechanisme. ‘De richting van de spins in het grafeen kan in het vlak of uit het vlak wijzen. We gebruikten een magnetisch veld om onderscheid te maken tussen die twee en zagen zo dat het MoSe₂ alleen de stroom van spins in het vlak verminderde.’ Het resultaat was overduidelijk: het spinsignaal daalde van 30 Ohm naar 15 milli-Ohm, wat er op neerkomt dat de spinstroom bijna volledig is gestopt.

Dichterbij

Dat MoSe₂ dit zogeheten anisotropische effect op spins heeft is bekend, maar het is voor het eerst dat dit effect is gezien in grafeen. ‘Het laat zien dat in onze opstelling natuurkundige eigenschappen die we kennen van MoSe₂ zijn overgebracht op het grafeen’, legt Ghiasi uit. ‘Dat is een spannende ontdekking.’ Die overdracht van eigenschappen was door theoretische modellen voorspeld, maar niet eerder in experimenten waargenomen.

Bart van Wees, die tevens de leider is van het spintronica project binnen het EU Graphen Flagship project van een miljard euro, legt uit waarom dit zo belangrijk is: ‘Wat we nu gevonden hebben is een compleet nieuwe manier om de spins van elektronen in grafeen te manipuleren, zonder de spinstroom uit het materiaal te halen.’ Dit maakt het mogelijk een spinstroom naar believen aan of uit te zetten, bijvoorbeeld door met een elektrisch veld de ‘band gap’ van MoSe₂ aan te passen, die bepaalt welk effect het materiaal heeft op de spins. Dit zou op spin gebaseerde elektronica weer een stap dichterbij brengen.

Referentie: Talieh S. Ghiasi, Josep Ingla-Aynés, A. Kaverzin, and Bart J. van Wees: Large Proximity-Induced Spin Lifetime Anisotropy in Transition Metal Dichalcogenide/Graphene Heterostructures. Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03460 • Publication Date (Web): 27 Nov 2017

Zie ook:
Cool: spintransport in een isolator
Groningse onderzoekers geven richting aan spintransport
Gronings grafeenlab verbetert eigen wereldrecord

Spinozawinnaar Bart van Wees: Vernieuwend, kleiner en beter
Groningse stuurman op Europees vlaggenschip