Tecnologia Científica

Os pesquisadores realizam um transistor de efeito de campo de spin em temperatura ambiente
Em experimentos usando materiais convencionais , engenheiros e físicos observaram até agora apenas precessão de spin coerente no regime balístico e em temperaturas muito baixas
Por Ingrid Fadelli - 07/09/2021


Esboço de um transistor de efeito de campo de spin de grafeno-WSe2. Na voltagem de backgate zero (Vbg), o sinal reverso gira ao se propagar através do canal. Em contraste, quando o Vbg não é zero, a precessão é reduzida e os spins não invertem o sinal. Crédito: Ingla-Aynes et al.

Um objetivo crucial da pesquisa de spintrônica é manipular de forma coerente os spins de elétrons em temperatura ambiente usando corrente elétrica. Isso é particularmente valioso, pois permitiria o desenvolvimento de vários dispositivos, incluindo transistores de efeito de campo de spin.

Em experimentos usando materiais convencionais , engenheiros e físicos observaram até agora apenas precessão de spin coerente no regime balístico e em temperaturas muito baixas. Os bidimensionais (materiais 2D), no entanto, têm características únicas que podem fornecer novos botões de controle para manipular a procissão de giro.

Pesquisadores do CIC nanoGUNE BRTA na Espanha e da Universidade de Regensburg na Alemanha demonstraram recentemente a precessão do spin à temperatura ambiente na ausência de um campo magnético no grafeno de duas camadas . Em seu artigo, publicado na Physical Review Letters , eles usaram materiais 2D para realizar um transistor de efeito de campo de spin.

"Em nosso grupo, há uma longa tradição de estudar o transporte de spin em vários materiais, como metais simples, por exemplo", Josep Ingla-Aynes, Franz Herling, Jaroslav Fabian, Luis E. Hueso e Felix Casanova, os pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org por e-mail. "Nosso principal objetivo é entender como o spin do elétron pode transportar informações e como esse grau de liberdade pode ajudar a criar dispositivos com novas funcionalidades."

O grafeno está entre os materiais com os maiores comprimentos de relaxação de spin. No entanto, manipular os giros conforme eles viajam no grafeno pode ser muito desafiador e até agora só foi conseguido usando campos magnéticos externos, o que está longe de ser ideal para aplicações práticas.

Recentemente, Ingla-Aynés e seus colegas têm examinado como as heteroestruturas baseadas em diferentes materiais 2D, também conhecidas como heteroestruturas de van der Waals, atuam na spintrônica. As heteroestruturas de Van der Waals são uma classe de materiais 2D à base de grafeno com camadas que não são quimicamente ligadas.

"Temos explorado particularmente estruturas onde um material com acoplamento spin-órbita fraco (como o grafeno) é empilhado com um material com um acoplamento spin-órbita forte (como WSe 2 ) e observando experimentalmente como esse acoplamento spin-órbita é realmente transferido para o grafeno por proximidade ", explicaram os pesquisadores. "Mais tecnicamente, ao conseguir uma forte interação entre as camadas, é possível imprimir um acoplamento spin-órbita eficiente no grafeno (que atua como um campo magnético eficaz) que pode reverter os spins sem a necessidade de aplicar um campo magnético e isso é o que queríamos fazer. "
 
Em vez de usar um único material, Ingla-Aynés e seus colegas usaram uma combinação de dois materiais com propriedades significativas diferentes. O primeiro desses materiais é o grafeno, que tem um acoplamento spin-órbita fraco e um comprimento de relaxação de spin longo. O segundo é WSe 2 , que tem um forte e anisotrópico acoplamento spin-órbita .

"Preparamos heteroestruturas de duas camadas de grafeno / WSe 2 van der Waals usando uma técnica de empilhamento à base de polímero seco", disseram os pesquisadores. "Então, para promover a proximidade entre as camadas, recozemos nossas amostras acima de 400 graus Celsius. Para medir o transporte de spin, usamos eletrodos ferromagnéticos que, combinados com campos magnéticos, nos permitem medir spins no plano e fora do plano que viajar através do canal de grafeno / WSe 2. "

Ingla-Aynés e seus colegas foram capazes de controlar os tempos de transporte de spin no material que usaram aplicando um campo elétrico no plano e uma voltagem backgate a eles. Em última análise, isso permitiu o controle elétrico da precessão do spin à temperatura ambiente, sem a necessidade de aplicar um campo magnético externo.

“Isso tem sido procurado pela comunidade há décadas e com a exploração de muitos materiais diferentes, mas ninguém teve sucesso, até agora”, disseram os pesquisadores. "Essa descoberta tem implicações para a aplicabilidade da spintrônica, já que nosso dispositivo opera como o tão procurado transistor de spin Datta-Das, que tem sido um dos objetivos da spintrônica desde que foi proposto pela primeira vez em 1990."

Em seu artigo, os pesquisadores apresentaram o primeiro transistor de efeito de campo de spin em temperatura ambiente usando a estratégia de precessão de spin que desenvolveram. No futuro, seu trabalho pode abrir caminho para a implementação prática de lógica baseada em spin com eficiência energética.

"Nosso estudo também tem uma consequência fundamental, pois fornece informações valiosas sobre como o transporte de spin é afetado pelas interações spin-órbita em heteroestruturas de van der Waals baseadas em grafeno", disseram os pesquisadores. "Em nossos próximos estudos, planejamos estudar várias outras combinações de materiais 2D que fornecerão novos efeitos físicos relacionados ao grau de liberdade de rotação."

 

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