Uma colaboração de pesquisa europeia demonstrou um novo método para controlar correntes de spin no grafeno usando uma monocamada ferroelétrica de seleneto de índio (In₂Se₃). Esta abordagem, validada por meio de primeiros princípios e simulações de ligação estreita, revela que a mudança da polarização do In₂Se₃ pode reverter a direção das correntes de spin no grafeno, criando efetivamente uma chave de spin elétrica. A descoberta marca um passo significativo em direção a dispositivos spintrônicos não voláteis e com eficiência energética que não dependem de campos magnéticos.
A ascensão da spintrônica e o potencial do grafeno
Durante duas décadas, a spintrônica tem sido uma fronteira líder na nanoeletrônica, com o objetivo de aproveitar o spin dos elétrons para transportar e processar informações. Ao contrário da eletrônica tradicional baseada em carga, os sistemas baseados em spin prometem reduções substanciais no consumo de energia, dissipação de calor e velocidades de operação mais rápidas, juntamente com retenção de dados não voláteis. No entanto, conseguir um controle elétrico preciso e de baixa energia sobre as correntes de spin sem campos magnéticos externos continua sendo um grande obstáculo.
A manipulação magnética, embora eficaz, apresenta desafios de escalabilidade, eficiência e compatibilidade com tecnologias de semicondutores. Materiais bidimensionais (2D), particularmente o grafeno, surgiram como uma solução potencial. A excepcional mobilidade eletrônica do grafeno e o longo tempo de relaxamento de rotação tornam-no um excelente candidato para a spintrônica, mas seu fraco acoplamento spin-órbita limita o controle direto do spin.
Heteroestruturas e Controle Ferroelétrico
Para superar as limitações do grafeno, os pesquisadores recorreram às heteroestruturas de van der Waals, empilhando o grafeno com outros materiais 2D para induzir novas funcionalidades através de efeitos de proximidade. O acoplamento do grafeno com materiais ferroelétricos, que possuem uma polarização elétrica espontânea controlável por tensão, é particularmente promissor. Quando um material ferroelétrico entra em contato com o grafeno, seu dipolo elétrico quebra a simetria de inversão na interface, permitindo potencialmente a orientação do spin por meio de comutação elétrica pura.
A nova pesquisa introduz uma plataforma heteroestrutura de grafeno/In₂Se₃ onde a polarização ferroelétrica do In₂Se₃ modula o acoplamento spin-órbita no grafeno. Simulações mostram que inverter a polarização inverte o sinal do efeito Rashba-Edelstein, mudando a quiralidade das texturas de spin e a direção da corrente de spin – tudo sem campos magnéticos e com consumo mínimo de energia uma vez definida a polarização.
Principais descobertas: controle de rotação via comutação ferroelétrica
A equipe de pesquisa investigou heteroestruturas de grafeno/In₂Se₃ em configurações alinhadas (0°) e torcidas (17,5°). Cálculos detalhados da estrutura eletrônica revelaram que a reversão da polarização ferroelétrica do In₂Se₃ reverte o coeficiente de conversão carga-spin, criando uma “chave de quiralidade” elétrica para correntes de spin no grafeno.
Na torção zero, o sistema exibe um efeito Rashba-Edelstein convencional (REE), onde uma corrente de carga gera um acúmulo de spin transversal alinhado com a polarização ferroelétrica. Na torção de 17,5°, o sistema transita para um efeito Rashba-Edelstein não convencional (UREE), onde a corrente de spin se torna quase colinear com o fluxo de carga devido a um novo campo radial Rashba, anteriormente inacessível em sistemas planares de grafeno.
Implicações para futuros dispositivos spintrônicos
Essas descobertas fornecem uma base teórica para transistores de spin baseados em grafeno controlados por comutação ferroelétrica, potencialmente permitindo lógica de spin de próxima geração e dispositivos de memória com baixo consumo de energia e alta velocidade. O estudo destaca a promessa de integração de materiais ferroelétricos 2D com grafeno para desbloquear novas funcionalidades spintrônicas.
Pesquisas futuras devem se concentrar na validação experimental desses resultados para realizar dispositivos spintrônicos não voláteis e controlados eletricamente. A capacidade de manipular correntes de spin sem campos magnéticos representa um passo crítico em direção a tecnologias spintrônicas mais eficientes e escaláveis
