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新型晶体管更近一步，因为石墨烯的双层有助于控制自旋电流

时间：2022-03-10 08:25:32 来源：

研究中使用的多层设备。WS2：二硫化钨，hBN：氮化硼层。

电子带有负电荷，但它们的行为也像微型磁铁。电子的这种特性称为自旋，可以用于在电子电路中传输或存储信息。科学家们正在寻找创建此类自旋电子器件的方法，因为这可能比普通电子器件更节能。格罗宁根大学的物理学家奥德（Siddhartha Omar）发现了一种将自旋传递到足够长的距离的方法，以使这种装置可行。此外，他使用的材料使他能够控制这些自旋电流。

为了使晶体管使用电子自旋而不是电荷自旋工作，有必要找到一种方式来打开和关闭自旋电流。此外，自旋的寿命至少应等于这些电子通过电路所花费的时间。格罗宁根大学的科学家们现在已经迈出了重要的一步，它基于在二硫化钨层之上的双层石墨烯，制造了一种可以同时满足这两个要求的设备。他们的结果已于2019年10月16日发表在Physics Review B期刊上。

石墨烯是碳的二维形式，是电子自旋的极佳导体。但是，很难控制这种材料中的自旋电流。自旋是电子的量子力学性质，使它们的行为像微小的磁体。由Bart van Wees教授领导的格罗宁根大学纳米器件物理学小组正在研究这一问题。他们先前已经表明，如果将石墨烯放在二硫化钨（另一种2D材料）层的顶部，则可以控制自旋电流。

双层

Van Wees小组的博士后Siddhartha Omar解释说：“但是，这种方法减少了旋转的寿命。”钨是一种金属，其原子会影响穿过石墨烯的电子，从而耗散自旋电流。基于以下理论，奥马尔在二硫化钨上使用了石墨烯的双层结构：通过上层的电子应“感觉不到”金属原子的影响。

这是《物理评论》 B论文的第一作者Siddhartha Omar博士。

Omar还使用了另一种新技术，其中两种不同类型的自旋电流通过石墨烯。自旋是具有给定方向的磁矩。在正常材料中，自旋不对齐。但是，自旋电流的磁矩（就像磁体的磁矩）具有优先对齐的特性。相对于电子通过的材料，它们的自旋可以具有面内取向或面外取向。

能级

‘我们发现，当电子通过外层石墨烯层时，面内自旋很快消失，仅几皮秒。但是，平面外旋转的寿命大约要长一百倍。’这意味着，即使在存在二硫化钨的情况下，自旋电流的一个分量（具有平面外取向的自旋）也可以传播足够远的距离，以用于晶体管之类的设备中。

奥马尔观察到的自旋电流的能级使它们穿过石墨烯的上层。可以通过施加电场，将自旋电流推入下层来提高能量水平。奥马尔解释说：“在那儿，自旋会感觉到金属原子的全部作用，自旋电流会迅速消散”。使用电场关闭自旋电流的能力很重要，因为它可以用于基于该技术对晶体管进行“门控”。

奥马尔说：“不幸的是，制造这些设备的基板的某些技术限制使我们无法产生足够强的电场来产生这种门控效果。”‘但是，我们已经表明，有可能使自旋电流流过由石墨烯和二硫化钨制成的异质结构。这是创建自旋晶体管的重要一步。’

参考：S.Omar，B.N.Madhushankar和B.J.van Wees撰写的“双层石墨烯/ WS2异质结构中的大自旋弛豫各向异性”，2019年10月16日，物理评论B.DOI：
10.1103 / PhysRevB.100.155415


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