ชั้นโคบอลต์ช่วยเสริมศักยภาพทางสปินทรอนิกส์ของโครงสร้างเฮเทอโรกราฟีน

สปินทรอนิกส์ เป็นเทคโนโลยีที่ควบคุมการหมุนของอิเล็กตรอน (สปิน) ซึ่งสามารถช่วยเพิ่มความเร็วในการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และลดการใช้พลังงาน อย่างไรก็ตาม การสร้างและควบคุมลวดลายของสปินในวัสดุยังคงเป็นความท้าทาย ล่าสุด ทีมวิจัยจากสเปน-เยอรมนีค้นพบว่า เมื่อกราฟีนซ้อนทับกับโลหะหนักอย่างโคบอลต์และอิริเดียม จะเกิดปรากฏการณ์ควอนตัมที่เพิ่มขึ้น เช่น การเสริมการควบรวมของสปินกับวงโคจร และการเอียงของสปิน ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการพัฒนาสปินทรอนิกส์ในอนาคต

กราฟีนกับสปินทรอนิกส์

สปินทรอนิกส์ใช้คุณสมบัติการหมุนของอิเล็กตรอนในการประมวลผลลอจิกและการจัดเก็บข้อมูล โดยอุปกรณ์ประเภทนี้อาจมีความเร็วและประสิทธิภาพการใช้พลังงานเหนือกว่ากึ่งตัวนำแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม การสร้างและควบคุมลวดลายของสปินในวัสดุต่าง ๆ ยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ กราฟีนซึ่งเป็นโครงสร้างสองมิติรูปหกเหลี่ยมที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน ถูกมองว่าเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้ในสปินทรอนิกส์ เมื่อกราฟีนถูกวางบนฟิล์มโลหะหนัก จะเกิดการควบรวมสปิน–วงโคจรที่รุนแรงที่บริเวณรอยต่อ และก่อให้เกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมหลายรูปแบบ รวมถึงเอฟเฟกต์ Rashba (การแยกระดับพลังงานจากการควบรวมสปิน–วงโคจร) และปฏิสัมพันธ์แบบ Dzyaloshinskii-Moriya (การเอียงของการจัดเรียงสปิน) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเอฟเฟกต์การเอียงของสปินนั้น สามารถใช้เพื่อทำให้ลวดลายสปินแบบวังวน (Skyrmion) มีความเสถียร ซึ่ง Skyrmion นั้นถือเป็นองค์ประกอบสำคัญของสปินทรอนิกส์ในอนาคต

※เกร็ดความรู้เพิ่มเติม: สปินเป็นคุณสมบัติหนึ่งของอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถสร้างสนามแม่เหล็กและส่งผลต่อการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แตกต่างจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม การควบคุมสปินเปิดโอกาสใหม่ ๆ ในการออกแบบเทคโนโลยีขั้นสูง เมื่อวัสดุแม่เหล็กสัมผัสกับวัสดุที่ไม่เป็นแม่เหล็ก จะเกิดอิทธิพลซึ่งกันและกัน และทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “เอฟเฟกต์แม่เหล็กโดยรอบ” ซึ่งขณะนี้กำลังถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในหน่วยความจำแม่เหล็ก

บทบาทการเสริมของชั้นโคบอลต์

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากสเปนและเยอรมนีค้นพบว่า เมื่อมีการแทรกชั้นบางของธาตุเฟอร์โรแมกเนติกอย่างโคบอลต์ระหว่างกราฟีนกับโลหะหนัก เช่น อิริเดียม เอฟเฟกต์ควอนตัมเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ทีมวิจัยได้ปลูกตัวอย่างบนวัสดุฉนวน เพื่อให้มั่นใจว่าเอฟเฟกต์เหล่านี้สามารถถูกนำไปประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์สปินทรอนิกส์อเนกประสงค์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การวิเคราะห์สเปกตรัมที่ดำเนินการที่ศูนย์วิจัย Helmholtz กรุงเบอร์ลิน (HZB) BESSY II ประเทศเยอรมนี แสดงให้เห็นว่า กราฟีนไม่เพียงแต่เกิดปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับชั้นโคบอลต์เท่านั้น แต่ยังมีปฏิสัมพันธ์ทางอ้อมกับชั้นอิริเดียมผ่านโคบอลต์อีกด้วย ซึ่งหมายความว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างกราฟีนกับโลหะหนักนั้นถูกส่งผ่านโดยชั้นโคบอลต์ที่มีสมบัติเป็นเฟอร์โรแมกเนติก ส่งผลให้เกิดการแยกระดับพลังงานและเอฟเฟกต์การเอียงของสปินที่เพิ่มขึ้น

การทดลองและการยืนยันทางทฤษฎีที่ก้าวล้ำ

ดร. Jaime Sánchez-Barriga นักฟิสิกส์จากศูนย์ HZB ระบุว่า การปรับจำนวนชั้นบางของโคบอลต์สามารถส่งผลต่อเอฟเฟกต์การเอียงของสปิน โดยพบว่าเมื่อมีโคบอลต์สามชั้นบางจะให้ผลดีที่สุด ผลลัพธ์นี้ไม่เพียงได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลการทดลองเท่านั้น แต่ยังได้รับการยืนยันจากการคำนวณด้วยทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) อีกด้วย การเสริมกันและปฏิสัมพันธ์ระหว่างเอฟเฟกต์ควอนตัมทั้งสองเป็นการค้นพบที่สำคัญของงานวิจัยครั้งนี้ ซึ่งถือเป็นปรากฏการณ์ใหม่และเหนือความคาดหมาย

ความก้าวหน้าของการวิจัยในครั้งนี้เกิดขึ้นได้ด้วยเทคโนโลยีขั้นสูงด้านสเปกโทรสโกปีของอิเล็กตรอนแบบวิเคราะห์มุมและสปิน (Spin-ARPES) ที่สถานี BESSY II ดร. Sánchez-Barriga กล่าวว่า เทคโนโลยีนี้ช่วยให้ทีมวิจัยสามารถวัดเอฟเฟกต์การเอียงของสปินในวัสดุ รวมถึงการแยกสปิน–วงโคจรแบบ Rashba ได้อย่างแม่นยำ และยังสามารถวิเคราะห์ปรากฏการณ์ที่อาจมีนัยสำคัญมากกว่าค่าสปินของอิเล็กตรอนเองอีกด้วย

มีเพียงสถาบันวิจัยไม่กี่แห่งทั่วโลกเท่านั้นที่มีอุปกรณ์วัดที่มีความไวสูงในระดับนี้ ด้วยเหตุนี้ ผลการวิจัยในครั้งนี้จึงได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการประยุกต์ใช้โครงสร้างเฮเทอโรของกราฟีนในอุปกรณ์สปินทรอนิกส์รุ่นถัดไป พร้อมแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยิ่งใหญ่ ในอนาคต การสำรวจการผสมผสานระหว่างชั้นแม่เหล็กเฟอร์โรและโลหะหนักที่แตกต่างกัน อาจนำไปสู่การค้นพบเอฟเฟกต์ควอนตัมใหม่ ๆ และเร่งความก้าวหน้าในการพัฒนาเทคโนโลยีสปินทรอนิกส์ให้เข้าสู่การใช้งานจริงได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

อ้างอิง

• ความก้าวหน้าด้านสปินทรอนิกส์: การแทรกชั้นโคบอลต์ ปลดปล่อยศักยภาพควอนตัมของกราฟีน
• Spintronics Breakthrough: Unlocking the Quantum Potential of Graphene With Cobalt
• “การผสมอิเล็กตรอนโลหะหนักที่ใช้เฟอร์โรแม่เหล็กช่วยส่งเสริมพื้นผิวการหมุนเหมือน Rashba ในกราฟีน” โดย Beatriz Muñiz Cano, Adrián Gudín, Jaime Sánchez-Barriga, Oliver Clark, Alberto Anadón, Jose Manuel Díez, Pablo Ollerers-Rodrguez, Imando rançois Bertran, Donya Mazhjoo, Gustav Bihlmayer, Oliver Rader, Stefan บลือเกล, โรดอลโฟ มิรันดา, ฮูลิโอ กามาเรโร, มิเกล อังเคล วัลบูเอนา และเปาโล แปร์นา, 7 มิถุนายน 2024, ACS Nano ที่มา: 10.1021/acsnano.4c02154

(แหล่งที่มาของภาพหลัก: Dall-E/arö/ศูนย์วิจัย Helmholtz กรุงเบอร์ลิน)

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

คุณอาจสนใจ…