자기장 없는 스핀 제어

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자기장 없는 스핀 제어

연구원들은 자기장을 가하지 않고도 스핀 전류의 분극 방향을 제어할 수 있음을 입증했으며 , 이는 에너지 효율적인 스핀트로닉스 장치를 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다 .

그래핀에서 스핀 전류는 다른 물질보다 훨씬 오래 살 수 있어 물질을 미래의 스핀트로닉스 장치에 이상적인 플랫폼으로 만듭니다. 그러나 문제가 있습니다. 그래핀의 스핀 전류를 조작하기 위해 연구자들은 재료에 자기장을 적용해야 합니다. 필요한 하드웨어는 회로에 통합하기 어렵기 때문에 그래핀 기반 스핀 장치를 축소할 수 있는 방법이 제한됩니다. 이제 스페인의 Nanoscience Cooperative Research Center(CIC NanoGUNE)의 Josep Ingla-Aynés와 동료들은 전기장만 사용하여 실온에서 그래핀 스핀 전류를 조작하는 방법을 시연했습니다[ 1 ].

팀은 이중층 그래핀 시트에 텅스텐 디셀레나이드 시트를 스탬프로 찍고 두 재료를 가열하여 함께 결합했습니다. 그런 다음 그들은 평면 내 전기장과 게이트 전압을 적용하고 그래핀에 스핀 전류를 주입하는 데 사용하는 일련의 전극으로 구조를 패턴화했습니다. 실험은 50K 및 실온에서 수행되었습니다.

두 온도 모두에서 팀은 평면 내 전기장과 게이트 전압의 크기를 변경하여 스핀 전류의 분극 방향을 전환할 수 있음을 관찰했습니다. 그들은 제어가 텅스텐 디셀레나이드 층에 있는 스핀-궤도 결합의 존재에서 비롯된다고 말합니다. 이 효과는 그래핀에 스핀 각도를 변경하기에 충분한 유효 자기장을 생성합니다.

Ingla-Aynés는 이 시연이 오랫동안 추구해 온 "Datta Das" 스핀 트랜지스터의 실온 버전을 나타낸다고 말합니다. Datta Das 스핀 트랜지스터는 스핀 전류의 분극 방향을 변경하여 전기 저항을 높음에서 낮음으로 전환할 수 있는 소자입니다. 이러한 장치는 2차원 전자 가스를 사용하여 저온에서 실현되었지만 더 높은 온도에서는 실현되지 않았습니다.

그래핀과 다른 2D 물질의 전자는 두 가지 운동량 상태 중 하나 또는 "계곡"에 있을 수 있습니다. 연구원들은 주 내에서 정보를 저장하고 처리하기 위해 이러한 계곡 상태를 제어하는 ​​데 관심이 있습니다. 그 목표를 달성하는 데 있어 한 가지 어려움은 처음에 계곡 극성 전류를 생성하는 것입니다. 이제 취리히에 있는 스위스연방공과대학(ETH)의 Carolin Gold와 그녀의 동료들은 그래핀의 이중층 시트에서 한 쌍의 전자 제트(각 계곡에 하나씩)를 분리하는 방법을 발견했습니다[ 1 ]. 이 기술은 언젠가 "valleytronic" 장치에 통합되어 전자를 계곡 상태로 분류할 수 있습니다.

일반적으로 그래핀의 밸리 상태는 구별할 수 없지만 특정 상황에서 전자 밴드 구조가 비대칭이 되거나 "삼각형으로 뒤틀려" 각 밸리에 대한 고유한 운동량 프로파일을 초래합니다. 이론가들은 이 뒤틀림이 단일 그래핀 시트를 따라 다른 방향으로 흐르는 여러 계곡 편광 제트를 생성해야 한다고 예측했습니다. 그러나 이러한 제트기를 분리하는 것은 어려운 것으로 판명되었습니다.

Gold와 그녀의 동료들은 이중층 그래핀 시트를 사용했는데, 이는 계곡 편광 제트도 보유할 것으로 예측했습니다. 이중층 위에 그들은 50nm 폭의 작은 채널로 분리된 두 개의 금속 게이트를 배치했습니다. 그들은 이중층에 전압을 가하고 구멍을 통해 흐르는 전류를 측정했습니다. 그들은 전류 측정에서 간섭 신호를 생성하는 금속 팁을 사용하여 이 전류의 경로를 매핑했습니다. 데이터는 각도로 분리된 한 쌍의 제트를 보여주었습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴, 이론적 모델에서 예상한 대로.

스핀 시스템 모델은 일반적으로 스커미온(skyrmions)이라고 하는 소용돌이 같은 스핀 구성을 자이로스코프 패턴을 따라 움직이는 준입자로 취급합니다. 그러나 현재 그러한 움직임을 설명하는 데 사용되는 방정식(Thiele의 방정식)의 예측은 스커미온 및 기타 스핀 텍스처가 어떻게 움직이는지에 대한 실험적 관찰과 일치하지 않습니다. 독일 콘스탄츠 대학의 Markus Weißenhofer와 그의 동료들은 이제 Thiele의 방정식에 마찰 항을 추가하여 이 문제를 해결합니다.

Thiele의 방정식은 1970년대에 단일 스커미온 준 입자의 운동 방정식으로 확립되었습니다. 낮은 온도와 높은 감쇠에서 전류 구동 운동과 스커미온의 브라운 운동을 모두 성공적으로 설명합니다. 그러나 방정식은 고온과 낮은 감쇠에서 실패합니다.

시뮬레이션에서 Weißenhofer와 그의 동료들은 금속 박막에서 스핀 감쇠의 영향을 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들은 유한한 온도에서 마그논이라고 불리는 스핀파가 나타나 영화에 이미 존재하는 스커미온의 움직임을 약화시키는 것을 발견했습니다. 이 감쇠를 설명하기 위해 Thiele의 방정식에 마찰 항을 추가하여 팀은 업데이트된 운동 방정식이 실험 결과를 성공적으로 설명했음을 발견했습니다. 새로운 항의 크기는 온도에 따라 선형적으로 증가하며 다른 형태의 감쇠 및 스커미온 크기와 무관합니다.

연구원들은 그들의 결과가 스핀 텍스처의 역학을 더 잘 예측할 수 있는 간단한 프레임워크를 제공한다고 말합니다. 이 프레임워크는 에너지 저장 장치와 같은 스핀트로닉 기술에 스카이르미온을 통합할 때 실험자들에게 유용할 수 있습니다.

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