Europejski zespół badawczy zademonstrował nową metodę kontrolowania prądów spinowych w grafenie przy użyciu monowarstwy ferroelektrycznego selenku indu (In₂Se₃). Podejście to, poparte obliczeniami pierwszych zasad i technikami gęstego sprzęgania, pokazuje, że przełączanie polaryzacji w In₂Se₃ może odwrócić kierunek prądów spinowych w grafenie, skutecznie tworząc elektryczny przełącznik spinowy. Odkrycie to stanowi znaczący krok w kierunku energooszczędnych, niezależnych od energii urządzeń spintronicznych, które nie opierają się na polach magnetycznych.
Rozwój spintroniki i potencjał grafenu
Od dwóch dekad spintronika pozostaje w czołówce nanoelektroniki, dążąc do wykorzystania spinu elektronów do przesyłania i przetwarzania informacji. W przeciwieństwie do tradycyjnej elektroniki opartej na ładunkach, systemy spinowe zapewniają znaczną redukcję zużycia energii, rozpraszania ciepła i wyższych prędkości roboczych, a także nieulotnego przechowywania danych. Jednak osiągnięcie precyzyjnej, niskoenergetycznej kontroli elektrycznej prądów spinowych bez zewnętrznych pól magnetycznych pozostało główną przeszkodą.
Sterowanie magnetyczne, choć wydajne, stwarza wyzwania w zakresie skalowalności, wydajności i kompatybilności z technologiami półprzewodnikowymi. Potencjalnym rozwiązaniem okazały się materiały dwuwymiarowe (2D), zwłaszcza grafen. Wyjątkowa mobilność elektronów i długie czasy relaksacji spinu sprawiają, że grafen jest doskonałym kandydatem do spintroniki, ale jego słabe sprzężenie spin-orbita ogranicza bezpośrednią kontrolę spinu.
Heterostruktury i sterowanie ferroelektryczne
Aby przezwyciężyć ograniczenia grafenu, badacze zwrócili się w stronę heterostruktur van der Waalsa, łącząc grafen z innymi materiałami 2D w celu uzyskania nowej funkcjonalności poprzez efekty bliskości. Szczególnie obiecujące jest połączenie grafenu z materiałami ferroelektrycznymi, które wykazują sterowaną napięciem spontaniczną polaryzację elektryczną. Kiedy ferroelektryk styka się z grafenem, jego dipol elektryczny przerywa symetrię inwersji na granicy faz, potencjalnie umożliwiając kontrolowanie orientacji spinu za pomocą przełączania czysto elektrycznego.
Nowe badanie przedstawia heterostrukturę grafen/In₂Se₃, w której polaryzacja ferroelektryczna In₂Se₃ moduluje sprzężenie spin-orbita w grafenie. Symulacje pokazują, że przełączanie polaryzacji odwraca znak efektu Rashby-Edelsteina, zmieniając chiralność tekstur spinowych i kierunek prądu spinowego – a wszystko to bez pól magnetycznych i przy minimalnym zużyciu energii po ustaleniu polaryzacji.
Kluczowe wnioski: kontrola wirowania poprzez przełączanie ferroelektryczne
Zespół badawczy badał heterostruktury grafen/In₂Se₃ zarówno w konfiguracji wyrównanej (0°), jak i skręconej (17,5°). Szczegółowe obliczenia struktury elektronicznej wykazały, że odwrócenie polaryzacji ferroelektrycznej In₂Se₃ odwraca współczynnik konwersji ładunku na spin, tworząc elektryczny „chiralny przełącznik” prądów spinowych w grafenie.
Przy zerowym skręcie układ wykazuje klasyczny efekt Rashby-Edelsteina (REE), w którym prąd ładowania generuje poprzeczną akumulację spinu zgodną z polaryzacją ferroelektryczną. Przy skręcie o 17,5° system przechodzi w nieklasyczny efekt Rashby-Edelsteina (UREE), w którym prąd wirowania staje się prawie współliniowy z przepływem ładunku ze względu na nowe pole promieniowe Rashby niedostępne w układach z grafenem planarnym.
Implikacje dla przyszłych urządzeń spintronicznych
Wyniki te stanowią podstawę teoretyczną dla tranzystorów spinowych na bazie grafenu, sterowanych za pomocą przełączania ferroelektrycznego, potencjalnie umożliwiając stworzenie nowej generacji układów logicznych i pamięci spinowych o małej mocy i dużej szybkości. Badanie podkreśla obietnicę integracji materiałów ferroelektrycznych 2D z grafenem w celu odblokowania nowych funkcjonalności spintronicznych.
Przyszłe badania powinny skupiać się na eksperymentalnej weryfikacji tych wyników, aby w pełni zrealizować sterowane elektrycznie, niezależne od energii urządzenia spintroniczne. Możliwość manipulowania prądami spinowymi bez pól magnetycznych jest krytycznym krokiem w kierunku bardziej wydajnych i skalowalnych technologii spintronicznych.
