Spin to jedna z własności elektronu określająca jego stan kwantowy, która może być wykorzystana do gromadzenia oraz przenoszenia informacji przez tę cząstkę. W przypadku obecnie stosowanych układów elektronicznych wykorzystywany jest przepływ prądu lub zmiany napięcia w makroskali. Naukowcy od lat wiążą nadzieje z zastosowaniem tej własności elektronów do budowy superkomputerów, które byłyby znacznie potężniejsze i zużywały mniej energii niż maszyny znane obecnie.
Grafen z kolei to wynalazek, którego przedstawiać nie trzeba - jego odkrycie uhonorowano w tym roku nagrodą Nobla. Wysoka przewodność oraz niewielkie wydzielane ciepło dają nadzieję na stworzenie niezwykle wydajnych układów.
"Grafen charakteryzuje się najwyższą sprawnością transportu spinu elektronów spośród wszystkich materiałów, jeśli proces odbywa się w temperaturze pokojowej." - tłumaczy Roland Kawakami, profesor fizyki i astronomii kierujący zespołem badawczym. - "Niestety, dotychczas stosowane metody wstrzykiwania nośników do grafenu były nieefektywne. Drugim problemem okazał się ich czas życia, który był tysiące razy krótszy od wynikającego z teoretycznych obliczeń. Chcemy, aby był jak najdłuższy, gdyż od czasu życia zależy liczba możliwych do wykonania na nich operacji."
Aby rozwiązać ten problem, naukowcy umieścili pomiędzy elektrodą i grafenem warstwę izolatora o grubości pojedynczego atomu. Intuicja podpowiada, że powinno to uniemożliwić przepływ elektronów, ale w tej skali (porównywalnej z rozmiarami atomów) istotną rolę odgrywają zjawiska kwantowe. Dzięki zjawisku tunelowania wydajność procesu wstrzykiwania elektronów znacząco wzrosła.
Roland Kawakami zauważa, że - "... zaobserwowaliśmy trzydziestokrotne zwiększenie wydajności wstrzykiwania, co jest światowym rekordem na tym polu. Ponadto izolator zachowuje się jak zawór, który pozwala elektronom przepływać tylko w jednym kierunku."
Przy okazji badania rzuciły światło na nieścisłości pojawiające się przy pomiarach czasu życia elektronów w grafenie dokonanych przez innych naukowców. Eksperyment zwany pomiarem Hanla dotąd dawał zaniżone rezultaty. Gdy jednak zespół umieścił na detektorze warstwę izolującą, otrzymywane wyniki zwiększyły się kilkukrotnie, choć stan grafenu nie został zaburzony.
"To dobra wiadomość, gdyż pokazuje, że czas życia spinu w grafenie musi być dłuższy, niż dotąd sądzono. Potencjalnie - wielokrotnie dłuższy" - komentuje uczony.
Opisane przez nas odkrycie zrodziło też nowe trudności. Nie jest łatwo umieścić warstwę izolatora na grafenie, gdyż ten nie wytwarza silnych wiązań z innymi materiałami, a ich atomy odstają od siebie. Na szczęście dzięki zaawansowanemu procesowi technologicznemu udało się pokryć materiał tytanem bez tworzenia grudek. Dzięki temu zespół profesora Kawakami może przystąpić do prób stworzenia układów logicznych wykorzystujących nową technologię.
Źródło: Science Daily
