双层石墨烯有助于控制自旋电流的新型晶体管又近了一步

双层石墨烯装置

研究中使用的多层设备。WS2:钨二硫化物,HBN:氮化硼层。信贷:格罗宁根大学S. Omar

电子带负电荷,但它们也像微小的磁铁。电子的这种特性称为自旋,可以用来在电子电路中传输或存储信息。科学家们正在寻找创造这种自旋电子的方法,因为这可能比普通电子更节能。格罗宁根大学的物理学家悉达多·奥马尔发现了一种方法,可以在足够长的距离内传输自旋,从而使这种设备成为可能。此外,他使用的材料使他能够控制这些自旋电流。

为了使使用电子的旋转操作而不是其电荷来制造操作的晶体管,有必要找到开启和关闭旋转电流的方式。此外,旋转的寿命应至少等于这些电子穿过电路所花费的时间。格罗宁根大学科学家现在通过创建一个符合这两个要求的设备进行了重要的一步,基于双层的石墨烯.的基础上一层钨二硫化物。他们的结果是发表发表于2019年10月16日物理评论B.

石墨烯,一种二维碳形式,是电子旋转的优异导体。然而,在这种材料中很难控制自旋电流。自旋是电子的一种量子力学性质,使它们表现得像微小的磁铁。由巴特·万·威教授领导的格罗宁根大学纳米器件物理学小组正在研究这个问题。他们之前已经证明,如果将石墨烯放在一层二硫化钨(另一种2D材料)上,就有可能控制自旋电流。

双层

“然而,这种方法减少了自旋的寿命,”万威集团的博士后Siddhartha Omar解释说。钨是一种金属,它的原子影响通过石墨烯的电子,消散自旋电流。这促使奥马尔在二硫化钨上使用了双层石墨烯,基于这样的理论,即电子通过上层应该“感受到”更少的金属原子的影响。

奥马尔博士

这是Siddhartha Omar博士,该论文的第一个作者B. Credits B. Credits:Groningen大学林克斯科学

OMAR还使用了另一种新技术,其中两种不同类型的旋转电流通过石墨烯。旋转是具有给定方向的磁矩。在正常材料中,旋转未对齐。然而,自旋电流的磁矩 - 类似于磁体的磁矩 - 具有优先对准。相对于电子通过其通过的材料,它们的旋转可以具有面内取向或面外取向。

能级

“我们发现,当电子穿过外层石墨烯层时,平面内的自旋消散得非常快——仅为皮秒。”然而,平面外自旋的寿命大约是平面外自旋的100倍。“这意味着,即使在二硫化钨的存在下,自旋电流的一个组成部分(平面外方向的自旋)也可以传播很远,足以用于晶体管等设备。”

奥马尔观察到的旋转电流的能级使它们通过石墨烯的上层。通过施加电场,可以通过施加电场来提高该能级,将旋转电流推入下层。在那里,旋转会感受到金属原子的全部效果,并且纺丝将迅速消散',奥马尔解释说。使用电场切换旋转电流的这种能力非常重要,因为它可以基于该技术用于“门”晶体管。

“不幸的是,我们建造了这些设备的基板的某些技术限制阻止我们创建了足够强大以产生这种门控效果的电场”的电场。“然而,我们已经表明,可以通过由石墨烯和二硫化钨制成的异质结构发送旋转电流。这是朝着创造旋转晶体管的重要一步。

参考文献:“双层石墨烯的大自旋弛豫各向异性/。WS.2“异质结构”,S. Omar, B. N. Madhushankar和B. J. van wee, 2019年10月16日,物理评论B
DOI:10.1103 / PhysRevb.100.155415

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