Een 2D geheugen van magnetisch grafeen

De spintronica gebruikt het magnetisch moment van elektronen (de ‘spin’) om informatie te versturen en te manipuleren. Het is mogelijk om ultra-compacte 2D spin-logische schakelingen te maken van 2D materialen die spin over lange afstanden kan transporteren en bovendien een elektrische stroom in een spin-stroom omzetten. Experimenten van natuurkundigen van de RUG en Columbia University (VS) suggereren dat “magnetisch” grafeen hiervoor geschikt is. Deze ontdekking is op 6 mei gepubliceerd in Nature Nanotechnology.

Snelle en energiezuinige spintronische systemen zijn een veelbelovende alternatief voor de huidige (micro)elektronica. Ze maken gebruik van het magnetisch moment van elektronen, de zogeheten spins (die de waarden ‘op’ of ‘neer’ kunnen hebben) om informatie op te slaan of te versturen. Aangezien geheugentechnologie steeds kleiner wordt zijn er ook kleinere spintronische schakelingen nodig. Daarom zoeken wetenschappers naar materiaal met atomaire dikte waarin een sterk spinsignaal kan worden geproduceerd dat de informatie over een afstand van enkele micrometers kan transporteren.

Al ruim tien jaar is grafeen het beste 2D materiaal voor transport van spins. Maar het is niet mogelijk om in grafeen een spinstroom te laten ontstaan zonder de eigenschappen aan te passen. Een manier waarop dat wel kan is wanneer grafeen zich gedraagt alsof het magnetisch is. Magnetisme laat één van beide spins met voorkeur door, zodat er een verschil ontstaat in aantallen elektronen met spinwaarde op en neer. In “magnetisch” grafeen zorgt dat voor een sterk gepolariseerde spinstroom.

Dit concept is nu in een experiment aangetoond door wetenschappers uit de Fysica van nanodevices groep van RUG-hoogleraar Bart van Wees. Wanneer zij grafeen plaatsten op ene 2D gelaagde antiferromagneet (CrSBr) maten zij een grote spinpolarisatie van de stroom, die werd veroorzaakt door het magnetische grafeen.

In gewone spintronische schakelingen van grafeen worden ferromagnetische electroden (veelal van kobalt) gebruikt om spins te injecteren en te detecteren. Maar in schakelingen van magnetisch grafeen is dat niet nodig: het grafeen is te gebruiken om een spinstroom te produceren, transporteren en detecteren, legt Talieh Ghiasi uit. Zij is de eerste auteur van het artikel in Nature Nanotechnology. ‘We maten een bijzonder grote spin-polarisatie van 14 procent in het grafeen, die naar we verwachten ook is te beïnvloeden met een elektrisch veld.’ Samen met de uitstekende transporteigenschappen voor spins maakt dit een geheel van grafeen gemaakt 2D logisch circuit mogelijk.

De experimenten lieten ook zien dat de warmteproductie die onvermijdelijk is in elk elektronisch circuit een nuttige kant heeft in spintronica. ‘We zagen dat de temperatuurgradiënt in het magnetische grafeen wordt omgezet in een spinstroom. Dit gebeurt door het zogeheten spin-afhankelijke Seebeck effect dat wij nu als eersten hebben gezien in grafeen tijdens dit experiment’, vertelt Ghiasi. De efficiënte manier waarop magnetisch grafeen spinstromen maakt uit een elektrische stroom en uit warmte belooft de 2D spintronica en spin-calorimetrie een flinke stap vooruit te brengen.

En er is nog een bonus: spintransport in grafeen is zeer gevoelig voor het magnetische gedrag in de buitenste laag van de antiferromagneet waar het op ligt. Daaruit volgt dat metingen van spintransport zijn te gebruiken om de bovenste magnetische laag van de (gelaagde) antiferromagneet te uit te lezen. Op die manier zijn schakelingen van magnetisch grafeen niet alleen nuttig om technologische aspecten van systemen voor 2D geheugens en sensoren te onderzoeken, maar kunnen ze ook inzicht verschaffen in de fysica van magnetisme.

Andere implicaties van deze resultaten zullen verder worden onderzocht binnen de context van het EU Graphene Flagship project, dat zich richt op nieuwe toepassingen van grafeen in 2D materialen.

Referentie: T.S. Ghiasi, A.A. Kaverzin, A.H. Dismukes, D.K. de Wal, X. Roy and B. J. van Wees: Electrical and Thermal Generation of Spin Currents by Magnetic Bilayer Graphene. Nature Nanotechnology 6 mei 2021