研究人員利用磁性石墨烯實現二維自旋邏輯存儲器技術

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在自旋電子學中，電子的磁矩（自旋）被用來傳輸和操縱信息。一個超緊湊的二維自旋邏輯電路可以由二維材料構建，它可以遠距離傳輸自旋信息，也可以提供電荷電流的強自旋極化。格羅寧根大學（荷蘭）和哥倫比亞大學（美國）的物理學家的實驗表明，磁性石墨烯可以成為這些二維自旋邏輯設備的最終選擇，因為它可以有效地將電荷轉換為自旋電流，並且可以長距離傳輸這種強自旋極化。

這一發現於今天（2021年5月6日）發表在《自然-納米技術》上。

自旋電子器件是目前電子器件的頗有前景的高速和節能替代品。這些設備利用電子的磁矩即所謂的自旋（"向上"或 "向下"）來傳輸和存儲信息。記憶技術的不斷縮減需要越來越小的自旋電子器件，因此它尋求能夠主動產生大自旋信號並在微米級的距離上傳輸自旋信息的原子級薄材料。

十多年來，石墨烯一直是傳輸自旋信息的最有利的二維材料。然而，石墨烯本身不能產生自旋電流，除非它的特性被適當地修改。實現這一目標的方法之一是使其作為一種磁性材料。磁性將有利於一種自旋的通過，從而在自旋上升與自旋下降的電子數量上產生不平衡。在磁性石墨烯中，這將帶來一個高度自旋極化的電流。

這個想法現在已經被格羅寧根大學教授領導的納米器件物理小組的科學家們在實驗中證實。由格羅寧根大學Zernike先進材料研究所的Bart van Wees教授領導的納米器件物理學小組的科學家們現在已經證實了這個想法。當他們將石墨烯靠近二維層狀反鐵磁體CrSBr時，他們可以直接測量由磁性石墨烯產生的大量自旋極化電流。

在傳統的基於石墨烯的自旋電子器件中，鐵磁（鈷）電極被用來向石墨烯注入和檢測自旋信號。論文第一作者Talieh Ghiasi解釋説，與此相反，在由磁性石墨烯構建的電路中，自旋的注入、傳輸和檢測都可以由石墨烯本身完成。我們檢測到磁性石墨烯中14%的電導率的異常大的自旋極化，這也有望通過橫向電場進行有效調控。這一點，加上石墨烯出色的電荷和自旋傳輸特性，可以實現全石墨烯二維自旋邏輯電路，其中僅磁性石墨烯就可以注入、傳輸和檢測自旋信息。

此外，在任何電子電路中發生的不可避免的熱耗散在這些自旋電子器件中被轉化為一種優勢。由於焦耳加熱，磁性石墨烯中的温度梯度被轉換為自旋電流。這是由自旋相關的塞貝克效應發生的，實驗中也首次在石墨烯中觀察到這種效應。磁性石墨烯有效地產生自旋電流的電和熱，有望為二維自旋電子和自旋卡洛里特技術帶來實質性的進展。

此外，石墨烯中的自旋輸運對鄰近的反鐵磁體最外層的磁行為高度敏感。這意味着這種自旋輸運測量能夠讀出單個原子層的磁化。因此，基於石墨烯的磁性裝置不僅解決了二維存儲器和傳感系統中石墨烯磁性的最技術相關問題，而且還提供了對磁性物理學的進一步深入瞭解。

這些結果的未來影響將在歐盟石墨烯旗艦計劃的背景下進行研究，該計劃致力於石墨烯和二維材料的新應用。