Controle over spinstroom dankzij dubbele laag grafeen

Kort & bondig

Elektronen hebben een negatieve lading, maar daarnaast gedragen ze zich ook als kleine magneetjes. Die eigenschap van elektronen heet de ‘spin’ en is te gebruiken voor transport of opslag van informatie in elektronische circuits. Wetenschappers zoeken naar een manier om elektronica te maken die gebaseerd is op spins, omdat dit vermoedelijk minder energie kost dan de huidige elektronica. Siddhartha Omar ontdekte een manier om spins te transporteren over een afstand die lang genoeg is om zo’n vorm van elektronica mogelijk te maken. Bovendien doet hij dat in materiaal waarin hij de spinstroom aan en uit kan zetten.

Om transistoren te maken die werken met de spin van elektronen, in plaats van hun lading, is het nodig om een spinstroom aan en uit te kunnen schakelen. Bovendien moet de levensduur van de spins lang genoeg zijn om zich door een circuit te kunnen verplaatsen. RUG onderzoekers hebben nu een belangrijke stap gezet om aan beide criteria te kunnen voldoen. Daarvoor gebruikten zij een schakeling gebaseerd op een dubbele laag grafeen bovenop een laag wolfraam-disulfide. De resultaten zijn op 16 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Physics Review B.

Grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof, is een prima geleider van elektronenspins, maar het is lastig om de spinstromen te beïnvloeden in dit materiaal. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, waardoor ze zich als kleine magneetjes gedragen. Uit eerder werk uit de groep Fysica van Nanodevices van de RUG, onder leiding van prof. Bart van Wees, blijkt dat er wel controle mogelijk is van spinstromen wanneer het grafeen op een laagje wolfraam-disulfide (ook een 2D materiaal) ligt.

Dubbele laag

‘Het probleem is alleen dat hierdoor de levensduur van de spins afneemt’, legt Siddhartha Omar uit. Hij is postdoc in de groep van Van Wees. De wolfraam-atomen beïnvloeden de elektronen in het grafeen, waardoor de spinstromen uitdoven. Daarom maakte Omar een opstelling waarin een dubbele laag grafeen op het wolfraam-disulfide ligt, met het idee dat de elektronen in de bovenste laag de invloed van het wolfraam minder sterk ‘voelen’.

Daarnaast gebruikte Omar nog een nieuwe techniek waarbij hij twee verschillende typen spinstroom door het grafeen stuurde. De spin is een magnetisch moment dat een bepaalde richting heeft. In normale materialen wijst dit magnetisch moment alle kanten op. Maar in een spinstroom is er – net als in een magneet – een voorkeursrichting aanwezig. Ten opzichte van het materiaal waar de elektronen doorheen gaan kunnen de spins in- of juist uit het vlak gericht zijn.

Energieniveau

‘Wij ontdekten dat bij de elektronen die door de buitenste laag grafeen gaan, de spins die in het vlak lagen snel uitdoofden. Dat gebeurde in picoseconden. Maar de levensduur van de spins die uit het valk lagen bleven honderd keer langer bestaan.’ Dit betekent dat zelfs in de aanwezigheid van wolfraam-disulfide, één component van de spinstroom (namelijk de spins die uit het vlak liggen) zich ver genoeg kunnen verplaatsen om bijvoorbeeld bruikbaar te zijn in een transistor.

Het energieniveau van de spinstromen die Omar zag in de experimenten zorgde ervoor dat ze vooral door de bovenste grafeenlaag stroomden. Dat energieniveau is op te hogen met behulp van een elektrisch veld, en daardoor verplaatsen de elektronen zich naar de onderste laag grafeen. ‘En daar voelen de spins het volle effect van de wolfraamatomen, waardoor de spinstroom snel uitdooft’, legt Omar uit. Op die manier is het mogelijk spintromen uit te schakelen met een elektrisch veld. Dit is een manier om de ‘gate’ (poortstroom) na te bootsen in een spin-transistor.

‘Het is ons helaas nog niet gelukt om het elektrisch veld in onze opstelling sterk genoeg te maken om dit effect te zien. Dat ligt aan enkele technische beperkingen in de manier waarop onze opstelling gemaakt is’, vertelt Omar. ‘Maar we hebben nu wel laten zien dat het mogelijk is om spinstromen door een materiaal van grafeen en wolfraam-disulfide te sturen. Dat is weer een belangrijke stap richting een werkende spintransistor.’

Referentie: S. Omar, B.N. Madhushankar, and B. J. van Wees: Large spin-relaxation anisotropy in bilayer-graphene/WS₂ heterostructures Phys. Rev. B 100, 16 October 2019.