Bosquejo de un transistor de efecto de campo de espín de grafeno-WSe2. A voltaje de puerta trasera cero (Vbg), el signo inverso de los espines cuando se propaga a través del canal. A diferencia de, cuando el Vbg no es cero, la precesión se reduce y los giros no invierten el signo. Crédito:Ingla-Aynes et al.
Un objetivo crucial de la investigación de la espintrónica es manipular coherentemente los espines de los electrones a temperatura ambiente utilizando corriente eléctrica. Esto es particularmente valioso ya que permitiría el desarrollo de numerosos dispositivos, incluidos los transistores de efecto de campo de espín.
En experimentos con materiales convencionales, Los ingenieros y físicos hasta ahora solo han observado una precesión de giro coherente en el régimen balístico y a temperaturas muy bajas. Bidimensional (materiales 2D), sin embargo, tienen características únicas que podrían proporcionar nuevas perillas de control para manipular la procesión de centrifugado.
Investigadores de CIC nanoGUNE BRTA en España y la Universidad de Regensburg en Alemania han demostrado recientemente la precesión de espín a temperatura ambiente en ausencia de un campo magnético en el grafeno bicapa. En su papel publicado en Cartas de revisión física , utilizaron materiales 2D para realizar un transistor de efecto de campo de espín.
"En nuestro grupo, existe una larga tradición en el estudio del transporte de espín en múltiples materiales, como metales simples, por ejemplo, "Josep Ingla-Aynes, Franz Herling, Jaroslav Fabián, Luis E. Hueso y Felix Casanova, los investigadores que llevaron a cabo el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Nuestro principal objetivo es comprender cómo el espín del electrón puede transportar información y cómo este grado de libertad puede ayudar a crear dispositivos con nuevas funcionalidades".
El grafeno se encuentra entre los materiales con mayores longitudes de relajación de giro. Sin embargo, manipular los giros a medida que viajan sobre el grafeno puede ser muy desafiante y hasta ahora solo se ha logrado utilizando campos magnéticos externos. que está lejos de ser ideal para aplicaciones prácticas.
Recientemente, Ingla-Aynés y sus colegas han estado examinando cómo las heteroestructuras basadas en diferentes materiales 2D, también conocidas como heteroestructuras de van der Waals, actuar en espintrónica. Heteroestructuras de Van der Waals, son una clase de materiales 2D basados en grafeno con capas que no están unidas químicamente.
"En particular, hemos estado explorando estructuras en las que un material con un acoplamiento de órbita de giro débil (como el grafeno) se apila con un material con un acoplamiento de órbita de giro fuerte (como WSe 2 ) y observando experimentalmente cómo este acoplamiento espín-órbita se transfiere realmente al grafeno por proximidad, "explicaron los investigadores." Más técnicamente, logrando una fuerte interacción entre las capas, es posible imprimir un acoplamiento de órbita-espín tan eficiente en el grafeno (que actúa como un campo magnético efectivo) que puede revertir los espines sin la necesidad de aplicar un campo magnético y esto es lo que queríamos hacer ".
En lugar de utilizar un solo material, Ingla-Aynés y sus colegas utilizaron una combinación de dos materiales con diferentes propiedades significativas. El primero de estos materiales es el grafeno, que tiene un acoplamiento de espín-órbita débil y una longitud de relajación de espín larga. El segundo es WSe 2 , que tiene un acoplamiento espín-órbita fuerte y anisotrópico.
"Preparamos grafeno bicapa / WSe 2 heteroestructuras de van der Waals utilizando una técnica de apilamiento basada en polímeros secos, ", dijeron los investigadores." Entonces, para promover la proximidad entre las capas, recocido nuestras muestras por encima de 400 grados centígrados. Para medir el transporte de centrifugado, utilizamos electrodos ferromagnéticos que, combinado con campos magnéticos, nos permiten medir los giros dentro y fuera del plano que viajan a través del grafeno / WSe 2 canal."
Ingla-Aynés y sus colegas pudieron controlar los tiempos de transporte de giro en el material que utilizaron aplicándoles un campo eléctrico en el plano y un voltaje de puerta trasera. Esto finalmente permitió el control eléctrico de la precesión de espín a temperatura ambiente, sin necesidad de aplicar un campo magnético externo.
"Esto ha sido buscado por la comunidad durante décadas y explorando muchos materiales diferentes, sin embargo, nadie tuvo éxito, hasta ahora, ", dijeron los investigadores." Este hallazgo tiene implicaciones para la aplicabilidad de la espintrónica, ya que nuestro dispositivo funciona como el codiciado transistor de espín Datta-Das, que ha sido uno de los objetivos de la espintrónica desde que se propuso por primera vez en 1990 ".
En su papel los investigadores presentaron el primer transistor de efecto de campo de espín a temperatura ambiente utilizando la estrategia de precesión de espín que desarrollaron. En el futuro, su trabajo podría allanar el camino hacia la implementación práctica de una lógica basada en espines energéticamente eficiente.
"Nuestro estudio también tiene una consecuencia fundamental, ya que proporciona información valiosa sobre cómo el transporte de espín se ve afectado por las interacciones espín-órbita en heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno, ", dijeron los investigadores." En nuestros próximos estudios, planeamos estudiar muchas otras combinaciones de materiales 2D que proporcionarán nuevos efectos físicos relacionados con el grado de libertad de giro ".
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