Een Europese onderzoekssamenwerking heeft een nieuwe methode gedemonstreerd voor het controleren van spinstromen in grafeen met behulp van een ferro-elektrische monolaag van indiumselenide (In₂Se₃). Deze aanpak, gevalideerd door basisprincipes en strak bindende simulaties, onthult dat het veranderen van de polarisatie van In₂Se₃ de richting van spinstromen in grafeen kan omkeren, waardoor effectief een elektrische spinschakelaar ontstaat. De ontdekking markeert een belangrijke stap in de richting van energiezuinige, niet-vluchtige spintronische apparaten die niet afhankelijk zijn van magnetische velden.
De opkomst van spintronica en het potentieel van grafeen
Al twintig jaar lang is spintronica een leidende pionier in de nano-elektronica, met als doel de spin van elektronen te benutten om informatie te transporteren en te verwerken. In tegenstelling tot traditionele, op ladingen gebaseerde elektronica beloven spin-gebaseerde systemen een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik, de warmteafvoer en hogere bedrijfssnelheden, naast niet-vluchtige gegevensretentie. Het bereiken van nauwkeurige, energiezuinige elektrische controle over spinstromen zonder externe magnetische velden is echter een groot obstakel gebleven.
Magnetische manipulatie is weliswaar effectief, maar brengt uitdagingen met zich mee op het gebied van schaalbaarheid, efficiëntie en compatibiliteit met halfgeleidertechnologieën. Tweedimensionale (2D) materialen, met name grafeen, zijn als mogelijke oplossing naar voren gekomen. De uitzonderlijke elektronische mobiliteit en de lange spin-relaxatietijd van grafeen maken het tot een uitstekende kandidaat voor spintronica, maar de zwakke spin-baankoppeling beperkt de directe spincontrole.
Heterostructuren en ferro-elektrische controle
Om de beperkingen van grafeen te overwinnen, hebben onderzoekers zich tot Van der Waals-heterostructuren gewend, waarbij grafeen met andere 2D-materialen wordt gestapeld om nieuwe functionaliteiten te creëren door middel van nabijheidseffecten. Het koppelen van grafeen aan ferro-elektrische materialen, die een spontane elektrische polarisatie hebben die regelbaar is door spanning, is bijzonder veelbelovend. Wanneer een ferro-elektrisch materiaal in contact komt met grafeen, verbreekt de elektrische dipool de inversiesymmetrie op het grensvlak, waardoor mogelijk spin-oriëntatie mogelijk wordt gemaakt via puur elektrisch schakelen.
Het nieuwe onderzoek introduceert een grafeen/In₂Se₃ heterostructuurplatform waarbij de ferro-elektrische polarisatie van In₂Se₃ de spin-baankoppeling in grafeen moduleert. Simulaties laten zien dat het omdraaien van de polarisatie het teken van het Rashba-Edelstein-effect omkeert, waardoor de chiraliteit van spintexturen en de spinstroomrichting verandert – allemaal zonder magnetische velden en met minimaal stroomverbruik zodra de polarisatie is ingesteld.
Belangrijkste bevindingen: Spincontrole via ferro-elektrisch schakelen
Het onderzoeksteam onderzocht grafeen/In₂Se₃-heterostructuren in zowel uitgelijnde (0°) als gedraaide (17,5°) configuraties. Gedetailleerde elektronische structuurberekeningen onthulden dat het omkeren van de ferro-elektrische polarisatie van In₂Se₃ de conversiecoëfficiënt van lading naar spin omkeert, waardoor een elektrische ‘chiraliteitsschakelaar’ ontstaat voor spinstromen in grafeen.
Bij nuldraaiing vertoont het systeem een conventioneel Rashba-Edelstein-effect (REE), waarbij een laadstroom een transversale spin-accumulatie genereert die is uitgelijnd met de ferro-elektrische polarisatie. Bij een draaiing van 17,5° gaat het systeem over naar een onconventioneel Rashba-Edelstein-effect (UREE), waarbij de spinstroom bijna collineair wordt met de ladingsstroom als gevolg van een nieuw radiaal Rashba-veld, dat voorheen ontoegankelijk was in vlakke grafeensystemen.
Implicaties voor toekomstige spintronische apparaten
Deze bevindingen bieden een theoretische basis voor op grafeen gebaseerde spintransistors die worden bestuurd door ferro-elektrische schakelingen, waardoor mogelijk de volgende generatie spinlogica en geheugenapparaten met een laag energieverbruik en hoge snelheid mogelijk worden gemaakt. De studie benadrukt de belofte van de integratie van 2D ferro-elektrische materialen met grafeen om nieuwe spintronische functionaliteiten te ontsluiten.
Toekomstig onderzoek zou zich moeten concentreren op het experimenteel valideren van deze resultaten om elektrisch bestuurde, niet-vluchtige spintronische apparaten volledig te realiseren. Het vermogen om spinstromen te manipuleren zonder magnetische velden vertegenwoordigt een cruciale stap in de richting van efficiëntere en schaalbare spintronische technologieën
