Eine europäische Forschungskooperation hat eine neuartige Methode zur Steuerung von Spinströmen in Graphen mithilfe einer ferroelektrischen Monoschicht aus Indiumselenid (In₂Se₃) demonstriert. Dieser Ansatz, der durch First-Principien- und Tight-Binding-Simulationen validiert wurde, zeigt, dass das Umschalten der Polarisation von In₂Se₃ die Richtung der Spinströme in Graphen umkehren kann, wodurch effektiv ein elektrischer Spinschalter erzeugt wird. Die Entdeckung stellt einen bedeutenden Schritt hin zu energieeffizienten, nichtflüchtigen spintronischen Geräten dar, die nicht auf Magnetfeldern beruhen.
Der Aufstieg der Spintronik und das Potenzial von Graphen
Seit zwei Jahrzehnten ist die Spintronik ein Vorreiter in der Nanoelektronik und zielt darauf ab, den Spin von Elektronen zum Transport und zur Verarbeitung von Informationen zu nutzen. Im Gegensatz zu herkömmlicher ladungsbasierter Elektronik versprechen spinbasierte Systeme eine erhebliche Reduzierung des Stromverbrauchs, der Wärmeableitung und schnellere Betriebsgeschwindigkeiten sowie eine nichtflüchtige Datenspeicherung. Das Erreichen einer präzisen, energiearmen elektrischen Steuerung der Spinströme ohne externe Magnetfelder ist jedoch nach wie vor ein großes Hindernis.
Die magnetische Manipulation ist zwar effektiv, stellt jedoch Herausforderungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Effizienz und Kompatibilität mit Halbleitertechnologien dar. Als mögliche Lösung haben sich zweidimensionale (2D) Materialien, insbesondere Graphen, herausgestellt. Die außergewöhnliche elektronische Mobilität und die lange Spin-Relaxationszeit von Graphen machen es zu einem erstklassigen Kandidaten für die Spintronik, aber seine schwache Spin-Bahn-Kopplung schränkt die direkte Spinkontrolle ein.
Heterostrukturen und ferroelektrische Kontrolle
Um die Einschränkungen von Graphen zu überwinden, haben sich Forscher Van-der-Waals-Heterostrukturen zugewandt und Graphen mit anderen 2D-Materialien gestapelt, um durch Proximity-Effekte neue Funktionalitäten zu induzieren. Besonders vielversprechend ist die Kopplung von Graphen mit ferroelektrischen Materialien, die eine durch Spannung steuerbare spontane elektrische Polarisation aufweisen. Wenn ein ferroelektrisches Material mit Graphen in Kontakt kommt, bricht sein elektrischer Dipol die Inversionssymmetrie an der Grenzfläche und ermöglicht möglicherweise eine Spinausrichtung durch rein elektrisches Schalten.
Die neue Forschung stellt eine Graphen/In₂Se₃-Heterostrukturplattform vor, bei der die ferroelektrische Polarisation von In₂Se₃ die Spin-Bahn-Kopplung in Graphen moduliert. Simulationen zeigen, dass das Umdrehen der Polarisation das Vorzeichen des Rashba-Edelstein-Effekts umkehrt und die Chiralität der Spintexturen und die Richtung des Spinstroms ändert – und das alles ohne Magnetfelder und mit minimalem Stromverbrauch, sobald die Polarisation eingestellt ist.
Wichtige Erkenntnisse: Spinkontrolle durch ferroelektrisches Schalten
Das Forschungsteam untersuchte Graphen/In₂Se₃-Heterostrukturen sowohl in ausgerichteter (0°) als auch verdrehter (17,5°) Konfiguration. Detaillierte elektronische Strukturberechnungen ergaben, dass die Umkehrung der ferroelektrischen Polarisation von In₂Se₃ den Ladungs-zu-Spin-Umwandlungskoeffizienten umkehrt und so einen elektrischen „Chiralitätsschalter“ für Spinströme in Graphen erzeugt.
Bei Null-Twist zeigt das System einen konventionellen Rashba-Edelstein-Effekt (REE), bei dem ein Ladungsstrom eine transversale Spinansammlung erzeugt, die mit der ferroelektrischen Polarisation ausgerichtet ist. Bei einer Drehung um 17,5° geht das System in einen unkonventionellen Rashba-Edelstein-Effekt (UREE) über, bei dem der Spinstrom aufgrund eines neuartigen radialen Rashba-Feldes, das bisher in planaren Graphensystemen nicht zugänglich war, nahezu kollinear mit dem Ladungsfluss wird.
Implikationen für zukünftige spintronische Geräte
Diese Erkenntnisse liefern eine theoretische Grundlage für Graphen-basierte Spintransistoren, die durch ferroelektrisches Schalten gesteuert werden und möglicherweise Spinlogik- und Speichergeräte der nächsten Generation mit geringem Energieverbrauch und hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Die Studie unterstreicht das Versprechen, 2D-ferroelektrische Materialien mit Graphen zu integrieren, um neue spintronische Funktionalitäten zu erschließen.
Zukünftige Forschung sollte sich auf die experimentelle Validierung dieser Ergebnisse konzentrieren, um elektrisch gesteuerte, nichtflüchtige spintronische Geräte vollständig zu realisieren. Die Fähigkeit, Spinströme ohne Magnetfelder zu manipulieren, stellt einen entscheidenden Schritt hin zu effizienteren und skalierbaren spintronischen Technologien dar
