Spintronika oferuje potencjał w zakresie urządzeń, które działają szybciej i zużywają mniej energii poprzez manipulowanie spinami elektronów. Grafen pokryty kobaltem i metalami ciężkimi, takimi jak iryd, wykazuje zwiększone efekty kwantowe, korzystne dla spintroniki, takie jak zwiększone sprzężenie spin-orbita i przechylenie spinu.
Ta technika nakładania warstw prowadzi do stabilizacji wirowych tekstur spinowych, znanych jako skyrmiony. Hiszpańsko-niemiecki zespół badawczy odkrył, że warstwy kobaltu nie tylko wzmacniają te interakcje, ale także pośredniczą pomiędzy nimi grafen i iryd, co prowadzi do nieoczekiwanych i synergistycznych efektów kwantowych.
Spintronika i grafen
Spintronika wykorzystuje właściwości spinowe elektronów do wykonywania zadań logicznych i przechowywania danych. Urządzenia te mogą potencjalnie przewyższać rozwiązania konwencjonalne półprzewodniki zarówno pod względem prędkości, jak i zużycia energii. Jednak generowanie tekstur spinowych w materiałach i manipulowanie nimi nadal stwarza poważne wyzwania.
Wzbogacanie grafenu za pomocą monowarstw kobaltu
Grafen, dwuwymiarowa struktura plastra miodu zbudowana z atomów węgla, jest uważana za interesującego kandydata do zastosowań spintronicznych. Grafen jest zwykle osadzany na cienkiej warstwie metalu ciężkiego. Na styku grafenu i metalu ciężkiego powstaje silne sprzężenie spin-orbita, które powoduje różne efekty kwantowe, w tym rozszczepienie poziomów energii spin-orbita (efekt Rashby) i przechylenie w ułożeniu spinów (Dzialoshinskii-Moriya wzajemne oddziaływanie). Szczególnie efekt pochylenia spinu jest potrzebny do stabilizacji tekstur spinu przypominających wir, znanych jako skyrmiony, które są szczególnie odpowiednie dla spintroniki.
Ulepszone interakcje w interfejsie
Jednak teraz hiszpańsko-niemiecka współpraca wykazała, że efekty te ulegają znacznemu wzmocnieniu, gdy pomiędzy grafen i metal ciężki (tutaj: iryd) zostanie wprowadzonych kilka monowarstw pierwiastka ferromagnetycznego, kobaltu. Próbki hodowano na podłożach izolacyjnych, co jest niezbędnym warunkiem wdrożenia wielofunkcyjnych urządzeń spintronicznych wykorzystujących te efekty.
Przełomowe wyniki dzięki SPIN-ARPES
„W projekcie BESSY II przeanalizowaliśmy struktury elektronowe na styku grafenu, kobaltu i irydu” – mówi dr Jaime Sánchez-Barriga, fizyk z HZB. Najważniejsze odkrycie: wbrew oczekiwaniom grafen oddziałuje nie tylko z kobaltem, ale także poprzez kobalt z irydem.
„W interakcji między grafenem a irydem metalu ciężkiego pośredniczy ferromagnetyczna warstwa kobaltu” – wyjaśnia Sánchez-Barriga. Warstwa ferromagnetyczna usprawnia rozdzielanie poziomów energii. „Możemy wpływać na efekt przechylenia spinu poprzez liczbę monowarstw kobaltu; najlepsze są trzy monowarstwy” – mówi Sanchez-Barriga.
Wynik ten potwierdzają nie tylko dane eksperymentalne, ale także nowe obliczenia wykorzystujące teorię funkcjonału gęstości. Fakt, że oba efekty kwantowe wpływają na siebie i wzmacniają, jest nowy i nieoczekiwany.
„Byliśmy w stanie uzyskać te nowe spostrzeżenia tylko dlatego, że BESSY II oferuje niezwykle czułe instrumenty do pomiaru fotoemisji z rozdzielczością spinową (Spin-ARPES). Prowadzi to do tej szczęśliwej sytuacji, że zakładane pochodzenie przechyłu spinu, czyli rozszczepienia spin-orbita typu Rashby, możemy określić bardzo precyzyjnie, prawdopodobnie nawet dokładniej niż samo przechylenie spinu.” – podkreśla prof. Oliver Rader, który kieruje działem „Spin i topologia materiałów kwantowych” w HZB.
Tylko kilka instytucji na świecie posiada instrumenty posiadające takie możliwości. Wyniki pokazują, że heterostruktury oparte na grafenie mają ogromny potencjał dla następnej generacji urządzeń spintronicznych.
Odniesienie: „Raszbapodobne tekstury wirowania w grafenie promowane przez hybrydyzację elektroniczną za pośrednictwem ferromagnetyków z metalem ciężkim” autorstwa Beatriz Muñiz Cano, Adrián Gudín, Jaime Sánchez-Barriga, Oliver Clark, Alberto Anadón, Jose Manuel Díez, Pablo Olleros-Rodríguez, Fernando Ajejas, Iciar Arnay, Matteo Jugovac, Julien Rault, Patrick Le Fèvre, François Bertran, Donya Mazhjoo, Gustav Bihlmayer, Oliver Rader, Stefan Blügel, Rodolfo Miranda, Julio Camarero, Miguel Angel Valbuena i Paolo Perna, 7 czerwca 2024 r., ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c02154
