Европейская исследовательская группа под руководством физиков из Словацкой академии наук разработала новый подход к управлению спиновыми токами в графене путём соединения его с сегнетоэлектрическим монослоем In₂Se₃.
Используя методы моделирования на основе первых принципов и модели сильной связи, исследователи показали, что переключение сегнетоэлектрических свойств In₂Se₃ может изменить направление спинового тока в графене, действуя как электрический спиновый переключатель.
Основные выводы
- Новый подход: соединение графена с сегнетоэлектрическим материалом позволяет управлять спиновыми токами без использования внешних магнитных полей.
- Перспективы: открытие открывает путь к созданию энергоэффективных, энергонезависимых и не содержащих магнитов спинтронных устройств.
- Значимость: это ключевой шаг к производству логических систем и систем памяти нового поколения на основе спина для управления спиновыми текстурами.
Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Futures.
Введение в спинтронику
За последние два десятилетия спинтроника стала одной из самых перспективных областей наноэлектроники. Она стремится использовать собственный угловой момент электронов, или спин, для передачи и обработки информации. В отличие от традиционной электроники, основанной на заряде, спин-логика и память обещают значительное снижение энергопотребления и тепловыделения, а также более высокую скорость работы и энергонезависимое сохранение данных.
Однако существует фундаментальное препятствие: достижение точного, низкоэнергетического электрического управления спиновыми токами без использования внешних магнитных полей.
Двумерные материалы и графен
Двумерные материалы, такие как графен, открывают новые возможности для исследований. Графен с его исключительной электронной подвижностью и длительным временем спиновой релаксации является перспективным кандидатом для спинтроники. Однако его слабая внутренняя спин-орбитальная связь ограничивает прямое управление спином.
Для преодоления этого ограничения исследователи обратились к ван-дер-ваальсовым гетероструктурам, соединяя графен с другими двумерными материалами для индуцирования новых функциональных возможностей через эффекты близости.
Гетероструктура графен/In₂Se₃
Группа исследователей предложила новую платформу гетероструктуры графен/In₂Se₃, где эффекты близости, вызванные сегнетоэлектрической поляризацией In₂Se₃, могут модулировать спин-орбитальную связь в графене. Используя расчёты на основе первых принципов и моделирование с учётом сильной связи, они показали, что изменение направления поляризации In₂Se₃ изменяет знак эффекта Рашбы-Эдельштейна, тем самым переключая хиральность спиновых текстур и направление спинового тока.
Исследователи изучили гетероструктуры графен/In₂Se₃ в двух конфигурациях: с идеально выровненной (0°) границей раздела и в скрученной геометрии (17,5°). Они обнаружили, что изменение сегнетоэлектрической поляризации монослоя In₂Se₃ изменяет знак коэффициента преобразования заряда в спин, действуя как электрический «переключатель хиральности» для спиновых токов в графене.
При нулевом скручивании система демонстрирует обычный эффект Рашбы-Эдельштейна (REE), где приложенный заряд тока генерирует поперечное накопление спина, направление которого привязано к сегнетоэлектрической поляризации. При 17,5° система переходит в режим, где доминирует необычный эффект Рашбы-Эдельштейна (UREE), в котором спиновый ток становится почти коллинеарным с потоком заряда из-за появления радиального поля Рашбы, нового явления, ранее недоступного в планарных системах графена.
Результаты исследования закладывают теоретическую основу для создания спиновых транзисторов на основе графена, управляемых сегнетоэлектрическим переключением, что потенциально позволит создать новое поколение спиновых логических и запоминающих устройств с низким энергопотреблением и высокой скоростью.
Дальнейшие усилия должны быть направлены на экспериментальную проверку предложенных результатов для полной реализации электрически управляемых, энергонезависимых спинтронных устройств с низким энергопотреблением и высокой скоростью.
Предоставлено Институтом экспериментальной физики SAS.