Evropský výzkumný tým demonstroval novou metodu pro řízení spinových proudů v grafenu pomocí monovrstvy feroelektrického selenidu india (In₂Se₃). Tento přístup, podporovaný výpočty prvních principů a technikami husté vazby, ukazuje, že přepínání polarizace v In₂Se3 může zvrátit směr spinových proudů v grafenu a efektivně vytvořit elektrický spinový spínač. Tento objev znamená významný krok směrem k energeticky účinným, energeticky nezávislým spintronickým zařízením, která se nespoléhají na magnetická pole.
Vzestup spintroniky a potenciálu grafenu
Po dvě desetiletí zůstává spintronika v popředí nanoelektroniky a snaží se využívat spin elektronů k přenosu a zpracování informací. Na rozdíl od tradiční elektroniky založené na nabíjení slibují spinové systémy výrazné snížení spotřeby energie, odvodu tepla a vyšší provozní rychlosti, stejně jako trvalé ukládání dat. Velkou překážkou však zůstávalo dosažení přesného, nízkoenergetického elektrického řízení spinových proudů bez vnějších magnetických polí.
Magnetické řízení, i když je účinné, představuje výzvy pro škálovatelnost, efektivitu a kompatibilitu s polovodičovými technologiemi. Jako potenciální řešení se ukázaly dvourozměrné (2D) materiály, zejména grafen. Výjimečná elektronická mobilita a dlouhé doby relaxace rotace dělají z grafenu vynikajícího kandidáta pro spintroniku, ale jeho slabá vazba na spin-orbitu omezuje přímé ovládání rotace.
Heterostruktury a feroelektrické řízení
K překonání omezení grafenu se výzkumníci obrátili na van der Waalsovy heterostruktury, které kombinují grafen s jinými 2D materiály, aby vyvolaly novou funkčnost prostřednictvím efektů blízkosti. Nadějná je zejména kombinace grafenu s feroelektrickými materiály, které vykazují napěťově řízenou spontánní elektrickou polarizaci. Když se feroelektrikum dostane do kontaktu s grafenem, jeho elektrický dipól naruší inverzní symetrii na rozhraní, což potenciálně umožňuje řídit orientaci rotace čistě elektrickým přepínáním.
Nová studie představuje heterostrukturu grafen/In₂Se3, ve které feroelektrická polarizace In₂Se3 moduluje spin-orbitální vazbu v grafenu. Simulace ukazují, že přepínání polarizace obrací znaménko Rashba-Edelsteinova efektu, mění chiralitu spinových textur a směr spinového proudu – to vše bez magnetických polí a s minimální spotřebou energie, jakmile se polarizace ustaví.
Klíčové věci: Řízení rotace pomocí feroelektrického přepínání
Výzkumný tým studoval heterostruktury grafen/In₂Se3 v zarovnaných (0°) i zkroucených (17,5°) konfiguracích. Podrobné výpočty elektronické struktury ukázaly, že obrácení feroelektrické polarizace In₂Se₃ obrátí koeficient konverze náboje na spin a vytvoří elektrický „chirální spínač“ pro spinové proudy v grafenu.
Při nulovém zkroucení systém vykazuje klasický Rashba-Edelsteinův efekt (REE), kde nabíjecí proud generuje akumulaci příčného spinu v souladu s feroelektrickou polarizací. Při 17,5° otočení systém přechází na neklasický Rashba-Edelsteinův efekt (UREE), kde se spinový proud stává téměř kolineárním s tokem náboje kvůli novému Rashbovu radiálnímu poli, které není dostupné v planárních grafenových systémech.
Důsledky pro budoucí spintronická zařízení
Tyto výsledky poskytují teoretický základ pro spinové tranzistory na bázi grafenu řízené feroelektrickým přepínáním, což potenciálně umožňuje vytvoření nízkoenergetických, vysokorychlostních spinových logických a paměťových zařízení nové generace. Studie zdůrazňuje příslib integrace 2D feroelektrických materiálů s grafenem k odemknutí nových spintronických funkcí.
Budoucí výzkum by se měl zaměřit na experimentální ověření těchto výsledků, aby bylo možné plně realizovat elektricky ovládaná, energeticky nezávislá spintronická zařízení. Schopnost manipulovat se spinovými proudy bez magnetických polí je kritickým krokem k účinnějším a škálovatelnějším spintronickým technologiím.
