Навстречу технологии 2D-памяти

2 июня 2021 г., 17:05

В спинтронике магнитный момент электронов (спин) используется для передачи и управления информацией. Ультракомпактная схема двумерной спиновой логики может быть построена из двумерных материалов, которые могут передавать информацию о спине на большие расстояния, а также обеспечивать сильную спин-поляризацию зарядового тока. Эксперименты физиков из Университета Гронингена (Нидерланды) и Колумбийского университета (США) показывают, что магнитный графен может быть лучшим выбором для этих двумерных спин-логических устройств, поскольку он эффективно преобразует заряд в спиновый ток и может передавать эту сильную спин-поляризацию на большие расстояния. Это открытие было описано в журнале Nature Nanotechnology.

Спинтронные устройства являются перспективной высокоскоростной и энергосберегающей альтернативой современной электронике. Эти устройства используют магнитный момент электронов для передачи и хранения информации. Продолжающееся сокращение масштабов технологии памяти требует все более мелких устройств спинтроники и, следовательно, ищет атомарно тонкие материалы, которые могут активно генерировать большие спиновые сигналы и передавать информацию о спине на микрометровые расстояния.

Более десяти лет графен был наиболее подходящим 2D-материалом для передачи спиновой информации. Однако графен не может генерировать спиновый ток сам по себе, если его свойства не будут соответствующим образом изменены. Один из способов добиться этого - заставить его действовать как магнитный материал. Магнетизм будет способствовать прохождению одного типа спина и, таким образом, создать дисбаланс в количестве электронов со спином вверх по сравнению со спином вниз. В магнитном графене это привело бы к сильному поляризованному по спину току.

Эта идея была экспериментально подтверждена учеными группы Physics of Nanodevices во главе с проф. Бартом ван Висом (Bart van Wees) из Университета Гронингена, Института Цернике по передовым материалам. Когда они приблизили графен к двумерному слоистому антиферромагнетику CrSBr, они смогли напрямую измерить большую спиновую поляризацию тока, генерируемого магнитным графеном.

В обычных устройствах спинтроники на основе графена ферромагнитные (кобальтовые) электроды используются для ввода и детектирования спинового сигнала в графене. Напротив, в схемах, построенных из магнитного графена, инжекция, транспортировка и обнаружение спинов может осуществляться самим графеном, объясняет Талие Гиаси (Talieh Ghiasi), первый автор статьи: «Мы обнаружили исключительно большую спиновую поляризацию проводимости (14%) в магнитном графене, которая, как ожидается, будет эффективно настраиваться поперечным электрическим полем». Это, вместе с выдающимися характеристиками переноса заряда и спина графена, позволяет реализовать полностью графеновые спин-логические 2D-схемы, в которых только магнитный графен может вводить, переносить и обнаруживать информацию о спине.

Более того, неизбежное рассеивание тепла, которое происходит в любой электронной схеме, превращается в преимущество этих спинтронных устройствах. «Мы наблюдаем, что градиент температуры в магнитном графене из-за джоулева нагрева преобразуется в спиновый ток. Это происходит за счет спин-зависимого эффекта Зеебека, который также впервые наблюдается в графене в наших экспериментах», - говорит Гиаси. Эффективная электрическая и тепловая генерация спиновых токов с помощью магнитного графена обещает существенный прогресс как для 2D-спинтроники, так и для спин-калоритронных технологий.

Кроме того, спиновой транспорт в графене очень чувствителен к магнитному поведению самого внешнего слоя соседнего антиферромагнетика. Это означает, что такие измерения спинового переноса позволяют считывать намагниченность отдельного атомного слоя. Таким образом, устройства на основе магнитного графена не только решают наиболее технологически важные аспекты магнетизма в графене для 2D-памяти и сенсорных систем, но также обеспечивают дальнейшее понимание физики магнетизма.

Навстречу технологии 2D-памяти