Spin electronics, by manipulating the spin of electrons, can accelerate the operation speed of electronic devices and reduce energy consumption. However, the generation and manipulation of spin textures in materials remain challenging. Một nhóm nghiên cứu Tây Ban Nha-Đức gần đây phát hiện ra rằng khi graphene được xếp lớp với các kim loại nặng như coban và iridium, nó sẽ thể hiện các hiệu ứng lượng tử được tăng cường, chẳng hạn như tăng cường sự kết hợp spin-orbital và sự nghiêng spin, điều này rất có lợi cho sự phát triển của spin electronics.
Mục lục
Graphene và điện tử học spin
Spin electronics tận dụng đặc tính spin của electron để thực hiện các phép toán logic và lưu trữ dữ liệu, với các thiết bị có thể vượt trội về tốc độ và tiêu thụ năng lượng so với các chất bán dẫn truyền thống. Tuy nhiên, việc tạo ra và điều khiển cấu trúc spin trong vật liệu vẫn còn gặp nhiều thách thức lớn. Graphene là một cấu trúc hai chiều dạng tổ ong được tạo thành từ các nguyên tử carbon, được coi là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng điện tử spin. Khi graphene được lắng đọng trên màng kim loại nặng, nó tạo ra sự tương tác spin-orbital mạnh mẽ tại giao diện, mang lại nhiều hiệu ứng lượng tử, bao gồm hiệu ứng Rashba (sự phân tách spin-orbital của năng lượng) và tương tác Dzyaloshinskii-Moriya (sự nghiêng của sắp xếp spin). Đặc biệt, hiệu ứng nghiêng spin có thể được sử dụng để ổn định cấu trúc spin xoáy (Skyrmion), và Skyrmion được coi là yếu tố quan trọng trong tương lai của điện tử spin.
※Thông tin bổ sung: Spin là một đặc tính của electron, có thể tạo ra từ tính và ảnh hưởng đến ứng dụng của các linh kiện điện tử. Khác với các linh kiện điện tử truyền thống, việc kiểm soát spin mang lại nhiều khả năng hơn. Khi vật liệu từ tính và không từ tính tiếp xúc với nhau, chúng sẽ tương tác và tạo ra “hiệu ứng lân cận từ tính”, đặc tính này đang được ứng dụng rộng rãi trong bộ nhớ từ tính.
Tác dụng tăng cường của lớp coban
Nhóm nghiên cứu của Tây Ban Nha và Đức gần đây đã phát hiện ra rằng khi chèn một lớp đơn của nguyên tố ferromagnet coban giữa graphene và kim loại nặng (như iridium), các hiệu ứng lượng tử này sẽ được tăng cường đáng kể. Nhóm nghiên cứu đã nuôi cấy mẫu trên nền cách điện để đảm bảo các hiệu ứng này có thể được áp dụng hiệu quả trong các thiết bị spintronics đa chức năng.
Phân tích phổ được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Helmholtz Berlin (HZB) BESSY II cho thấy graphene không chỉ tương tác trực tiếp với lớp coban mà còn tương tác gián tiếp thông qua lớp coban với lớp iridium. Điều này có nghĩa là tương tác giữa graphene và kim loại nặng được trung gian bởi lớp coban ferromagnet, từ đó tăng cường sự phân tách năng lượng và hiệu ứng nghiêng spin.
Thí nghiệm đột phá và xác minh lý thuyết
Tiến sĩ Jaime Sánchez-Barriga, nhà vật lý học tại HZB, đã chỉ ra rằng bằng cách điều chỉnh số lượng lớp coban đơn, có thể ảnh hưởng đến hiệu ứng nghiêng spin, trong đó hiệu quả tốt nhất đạt được với ba lớp coban đơn. Kết quả này không chỉ được hỗ trợ bởi dữ liệu thí nghiệm mà còn được xác nhận thông qua tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT). Sự tương tác và tăng cường lẫn nhau của hai hiệu ứng lượng tử là phát hiện quan trọng của nghiên cứu này, hiện tượng này mới mẻ và bất ngờ.
Nghiên cứu này đạt được bước đột phá nhờ công nghệ quang phổ điện tử phân giải góc quay tiên tiến BESSY II (Spin-ARPES). Sánchez-Barriga cho biết, công nghệ này cho phép nhóm nghiên cứu đo lường chính xác hiệu ứng nghiêng góc quay của vật liệu và sự phân tách quỹ đạo góc quay Rashba, thậm chí có thể phân tích các hiệu ứng dẫn xuất có thể nổi bật hơn cả chính góc quay của electron.
Trên toàn cầu, chỉ có một số ít cơ sở nghiên cứu sở hữu thiết bị đo lường có độ nhạy cao đến vậy. Do đó, kết quả nghiên cứu này đã đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng cấu trúc dị chất dựa trên graphene trong các thiết bị điện tử spin thế hệ tiếp theo, đồng thời cho thấy tiềm năng to lớn của nó. Trong tương lai, việc tiếp tục khám phá các kết hợp khác nhau giữa các lớp ferromagnet hoặc kim loại nặng có thể giúp phát hiện thêm nhiều hiệu ứng lượng tử mới, từ đó thúc đẩy quá trình thương mại hóa công nghệ điện tử spin.
Tài liệu tham khảo
- Đột phá trong lĩnh vực điện tử học spin: Việc chèn lớp coban giải phóng tiềm năng lượng tử của graphene.
- Spintronics Breakthrough: Unlocking the Quantum Potential of Graphene With Cobalt
- “Sự tương tác điện tử của kim loại nặng được trung gian bởi vật liệu từ tính thúc đẩy cấu trúc xoắn Rashba trong graphene”, tác giả：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 Blügel、Rodolfo Miranda、Julio Camarero、Miguel Angel Valbuena và Paolo Perna，Ngày 7 tháng 6 năm 2024，ACS Nano。 DOI: 10.1021/acsnano.4c02154
（首圖來源：Dall-E/arö/亥姆霍茲柏林研究中心)
Về mài mòn: Chúng tôi cung cấp các điều chỉnh tùy chỉnh để điều chỉnh tỷ lệ theo nhu cầu gia công, nhằm đạt hiệu quả tối đa.
Hãy liên hệ với chúng tôi, sẽ có chuyên gia hỗ trợ giải đáp cho bạn.
Nếu cần báo giá tùy chỉnh, hãy liên hệ với chúng tôi.
Thời gian hỗ trợ khách hàng: Thứ Hai đến Thứ Sáu, từ 09:00 đến 18:00.
phone：07 223 1058
Nếu có chủ đề muốn tìm hiểu hoặc không thể nói rõ qua điện thoại, hãy nhắn tin trực tiếp qua Facebook nhé~~
honway fb：https://www.facebook.com/honwaygroup
Các bài viết mà bạn có thể quan tâm…
[wpb-random-posts]
