Європейська дослідницька група продемонструвала новий метод керування спіновими струмами в графені за допомогою моношару сегнетоелектричного селеніду індію (In₂Se₃). Цей підхід, який підтримується розрахунками перших принципів і методами щільного зв’язку, показує, що перемикання поляризації в In₂Se3 може змінити напрямок обертових струмів у графені, ефективно створюючи електричний перемикач обертання. Це відкриття знаменує собою значний крок до енергоефективних, енергонезалежних спінтронних пристроїв, які не залежать від магнітних полів.
Розвиток спінтроніки та потенціал графену
Протягом двох десятиліть спінтроніка залишалася в авангарді наноелектроніки, прагнучи використовувати спін електронів для передачі та обробки інформації. На відміну від традиційної зарядної електроніки, спінові системи обіцяють значне зниження енергоспоживання, розсіювання тепла та вищу робочу швидкість, а також енергонезалежне зберігання даних. Однак досягнення точного низькоенергетичного електричного контролю обертових струмів без зовнішніх магнітних полів залишалося основною перешкодою.
Магнітне керування, хоча й ефективне, створює проблеми для масштабованості, ефективності та сумісності з напівпровідниковими технологіями. Двовимірні (2D) матеріали, особливо графен, з’явилися як потенційне рішення. Виняткова електронна рухливість і довгий час релаксації обертання роблять графен чудовим кандидатом для спінтроніки, але його слабкий спін-орбітальний зв’язок обмежує прямий контроль обертання.
Гетероструктури та сегнетоелектричне керування
Щоб подолати обмеження графену, дослідники звернулися до гетероструктур Ван-дер-Ваальса, поєднавши графен з іншими 2D-матеріалами, щоб створити нову функціональність завдяки ефекту близькості. Поєднання графену з сегнетоелектричними матеріалами, які демонструють спонтанну електричну поляризацію, керовану напругою, є особливо перспективним. Коли сегнетоелектрик контактує з графеном, його електричний диполь порушує інверсійну симетрію на межі розділу, потенційно дозволяючи керувати орієнтацією обертання чисто електричним перемиканням.
Нове дослідження представляє гетероструктуру графен/In₂Se₃, в якій сегнетоелектрична поляризація In₂Se3 модулює спін-орбітальний зв’язок у графені. Моделювання показує, що перемикання поляризації змінює знак ефекту Рашба-Едельштейна, змінюючи хіральність спінових текстур і напрямок спінового струму — і все це без магнітних полів і з мінімальним енергоспоживанням після встановлення поляризації.
Ключові висновки: керування обертанням через сегнетоелектричне перемикання
Дослідницька група вивчала гетероструктури графен/In₂Se3 як у вирівняних (0°), так і в скручених (17,5°) конфігураціях. Детальні розрахунки електронної структури показали, що реверс сегнетоелектричної поляризації In₂Se3 змінює коефіцієнт перетворення заряду в спін, створюючи електричний «хіральний перемикач» для спінових струмів у графені.
При нульовому скручуванні система демонструє класичний ефект Рашба-Едельштейна (REE), де зарядний струм генерує накопичення поперечного спіну, узгодженого з сегнетоелектричною поляризацією. При повороті 17,5° система переходить до некласичного ефекту Рашби-Едельштейна (UREE), де спіновий струм стає майже колінеарним із потоком заряду через нове радіальне поле Рашби, недоступне в плоских графенових системах.
Наслідки для майбутніх спінтронних пристроїв
Ці результати забезпечують теоретичну основу для спінових транзисторів на основі графену, керованих сегнетоелектричним перемиканням, потенційно дозволяючи створювати наступне покоління низькопотужних, високошвидкісних спінових логіки та пристроїв пам’яті. Дослідження підкреслює перспективи інтеграції 2D сегнетоелектричних матеріалів із графеном для розблокування нових функцій спінтроніки.
Майбутні дослідження повинні зосередитися на експериментальній перевірці цих результатів, щоб повністю реалізувати електрично керовані енергонезалежні спінтронні пристрої. Здатність маніпулювати спіновими струмами без магнітних полів є критичним кроком до більш ефективних і масштабованих спінтронних технологій.
