Kolaborasi penelitian Eropa telah menunjukkan metode baru untuk mengendalikan arus putaran dalam graphene menggunakan lapisan tunggal feroelektrik indium selenida (In₂Se₃). Pendekatan ini, yang divalidasi melalui prinsip pertama dan simulasi yang ketat, mengungkapkan bahwa peralihan polarisasi In₂Se₃ dapat membalikkan arah arus putaran dalam graphene, yang secara efektif menciptakan saklar putaran listrik. Penemuan ini menandai langkah signifikan menuju perangkat spintronik non-volatil yang hemat energi dan tidak bergantung pada medan magnet.
Bangkitnya Spintronics dan Potensi Graphene
Selama dua dekade, spintronik telah menjadi garda terdepan dalam nanoelektronik, yang bertujuan memanfaatkan putaran elektron untuk membawa dan memproses informasi. Berbeda dengan perangkat elektronik berbasis pengisian daya pada umumnya, sistem berbasis putaran menjanjikan pengurangan konsumsi daya, pembuangan panas, dan kecepatan pengoperasian yang lebih cepat, serta penyimpanan data non-volatil. Namun, mencapai kontrol listrik berenergi rendah dan presisi terhadap arus putaran tanpa medan magnet eksternal masih menjadi kendala utama.
Manipulasi magnetik, meskipun efektif, menghadirkan tantangan terhadap skalabilitas, efisiensi, dan kompatibilitas dengan teknologi semikonduktor. Material dua dimensi (2D), khususnya graphene, telah muncul sebagai solusi potensial. Mobilitas elektronik Graphene yang luar biasa dan waktu relaksasi putaran yang lama menjadikannya kandidat utama untuk spintronik, namun kopling putaran-orbitnya yang lemah membatasi kontrol putaran langsung.
Heterostruktur dan Kontrol Feroelektrik
Untuk mengatasi keterbatasan graphene, para peneliti beralih ke heterostruktur van der Waals, menggabungkan graphene dengan material 2D lainnya untuk menghasilkan fungsi baru melalui efek kedekatan. Menggabungkan graphene dengan bahan feroelektrik, yang memiliki polarisasi listrik spontan yang dapat dikontrol oleh tegangan, sangatlah menjanjikan. Ketika bahan feroelektrik bersentuhan dengan graphene, dipol listriknya merusak simetri inversi pada antarmuka, yang berpotensi memungkinkan orientasi putaran melalui peralihan listrik murni.
Penelitian baru ini memperkenalkan platform heterostruktur graphene/In₂Se₃ di mana polarisasi feroelektrik In₂Se₃ memodulasi kopling spin-orbit dalam graphene. Simulasi menunjukkan bahwa membalikkan polarisasi akan membalikkan tanda efek Rashba-Edelstein, mengubah kiralitas tekstur putaran dan arah arus putaran – semuanya tanpa medan magnet dan dengan konsumsi daya minimal setelah polarisasi diatur.
Temuan Utama: Kontrol Putaran melalui Peralihan Feroelektrik
Tim peneliti menyelidiki heterostruktur graphene/In₂Se₃ dalam konfigurasi sejajar (0°) dan memutar (17,5°). Perhitungan struktur elektronik terperinci mengungkapkan bahwa membalikkan polarisasi feroelektrik In₂Se₃ akan membalikkan koefisien konversi muatan ke putaran, menciptakan “sakelar kiralitas” listrik untuk arus putaran dalam graphene.
Pada putaran nol, sistem menunjukkan efek Rashba-Edelstein (REE) konvensional, di mana arus muatan menghasilkan akumulasi putaran melintang yang selaras dengan polarisasi feroelektrik. Pada putaran 17,5°, sistem bertransisi ke efek Rashba-Edelstein (URE) yang tidak konvensional, di mana arus putaran menjadi hampir kolinear dengan aliran muatan karena medan Rashba radial baru, yang sebelumnya tidak dapat diakses dalam sistem graphene planar.
Implikasi untuk Perangkat Spintronic Masa Depan
Temuan ini memberikan landasan teoretis untuk transistor spin berbasis graphene yang dikendalikan oleh peralihan feroelektrik, yang berpotensi memungkinkan perangkat logika dan memori spin generasi berikutnya dengan konsumsi energi rendah dan kecepatan tinggi. Studi ini menyoroti janji untuk mengintegrasikan bahan feroelektrik 2D dengan graphene untuk membuka fungsi spintronik baru.
Penelitian di masa depan harus fokus pada validasi eksperimental hasil ini untuk sepenuhnya mewujudkan perangkat spintronik nonvolatil yang dikontrol secara elektrik. Kemampuan untuk memanipulasi arus putaran tanpa medan magnet merupakan langkah penting menuju teknologi spintronik yang lebih efisien dan terukur
