Европейская исследовательская группа продемонстрировала новый метод управления спиновыми токами в графене с использованием монослоя сегнетоэлектрика селенида индия (In₂Se₃). Этот подход, подтвержденный расчетами из первых принципов и методами плотной связи, показывает, что переключение поляризации In₂Se₃ может обращать направление спиновых токов в графене, эффективно создавая электрический спиновый переключатель. Это открытие знаменует собой значительный шаг к энергоэффективным, энергонезависимым спинтронным устройствам, которые не полагаются на магнитные поля.
Расцвет спинтроники и потенциал графена
На протяжении двух десятилетий спинтроника остается передовым направлением в наноэлектронике, стремясь использовать спин электронов для передачи и обработки информации. В отличие от традиционной электроники, основанной на заряде, спин-системы обещают существенное снижение энергопотребления, тепловыделения и более высокую скорость работы, а также энергонезависимое хранение данных. Однако достижение точного, низкоэнергетического электрического контроля спиновых токов без внешних магнитных полей оставалось серьезным препятствием.
Магнитное управление, хотя и эффективное, создает проблемы для масштабируемости, эффективности и совместимости с полупроводниковыми технологиями. Двумерные (2D) материалы, особенно графен, стали потенциальным решением. Исключительная электронная подвижность и длительное время спиновой релаксации делают графен отличным кандидатом для спинтроники, но его слабое спин-орбитальное взаимодействие ограничивает прямой контроль спина.
Гетероструктуры и сегнетоэлектрический контроль
Чтобы преодолеть ограничения графена, исследователи обратились к ван-дер-ваальсовым гетероструктурам, объединяя графен с другими 2D-материалами для индуцирования новых функциональных возможностей за счет эффектов близости. Сочетание графена с сегнетоэлектрическими материалами, которые обладают спонтанной электрической поляризацией, контролируемой напряжением, особенно перспективно. Когда сегнетоэлектрик контактирует с графеном, его электрический диполь нарушает инверсионную симметрию на границе раздела, потенциально позволяя управлять ориентацией спина с помощью чисто электрического переключения.
Новое исследование представляет гетероструктуру графен/In₂Se₃, в которой сегнетоэлектрическая поляризация In₂Se₃ модулирует спин-орбитальное взаимодействие в графене. Моделирование показывает, что переключение поляризации обращает знак эффекта Рашбы-Эдельштейна, изменяя хиральность спиновых текстур и направление спинового тока – и все это без магнитных полей и с минимальным энергопотреблением после установки поляризации.
Ключевые выводы: управление спином посредством сегнетоэлектрического переключения
Исследовательская группа изучила гетероструктуры графен/In₂Se₃ как в выровненной (0°) так и в скрученной (17,5°) конфигурациях. Подробные расчеты электронной структуры показали, что обращение сегнетоэлектрической поляризации In₂Se₃ обращает коэффициент преобразования заряда в спин, создавая электрический «хиральный переключатель» для спиновых токов в графене.
При нулевом скручивании система демонстрирует классический эффект Рашбы-Эдельштейна (REE), где зарядный ток генерирует поперечное накопление спина, выровненное с сегнетоэлектрической поляризацией. При скручивании 17,5° система переходит к неклассическому эффекту Рашбы-Эдельштейна (UREE), где спиновый ток становится почти коллинеарным с потоком заряда из-за нового радиального поля Рашбы, недоступного в плоских графеновых системах.
Последствия для будущих спинтронных устройств
Эти результаты закладывают теоретическую основу для спиновых транзисторов на основе графена, управляемых сегнетоэлектрическим переключением, потенциально позволяя создавать спинлогические и запоминающие устройства нового поколения с низким энергопотреблением и высокой скоростью. Исследование подчеркивает перспективы интеграции 2D-сегнетоэлектрических материалов с графеном для раскрытия новых спинтронных функциональных возможностей.
Будущие исследования должны быть сосредоточены на экспериментальной проверке этих результатов для полной реализации электрически управляемых энергонезависимых спинтронных устройств. Возможность манипулировать спиновыми токами без магнитных полей является критическим шагом к более эффективным и масштабируемым спинтронным технологиям.
