Ana Sayfa arşiv Fizikçiler Grafen Spintronik Kullanarak Büyük İlerleme Elde Etti

Fizikçiler Grafen Spintronik Kullanarak Büyük İlerleme Elde Etti

0
Fizikçiler Grafen Spintronik Kullanarak Büyük İlerleme Elde Etti

– Advertisement –

NUS araştırmacıları, yüzlerce meV'ye kadar büyük spin bölme enerjisine sahip bir ferrimanyetik yalıtım oksit Tm3Fe5O12 (TmIG) üzerinde grafende sağlam spin polarizasyonunun ortaya çıktığını gösterdi. Büyük ve ayarlanabilir spin bölme enerjisine sahip grafende gözlemlenen spin polarizasyonu, düşük güçlü elektronikler için 2 boyutlu spintronik alanında büyük umut vaat ediyor. 
NUS araştırmacıları, yüzlerce meV’ye kadar büyük spin bölme enerjisine sahip bir ferrimanyetik yalıtım oksit Tm3Fe5O12 (TmIG) üzerinde grafende sağlam spin polarizasyonunun ortaya çıktığını gösterdi. Büyük ve ayarlanabilir spin bölme enerjisine sahip grafende gözlemlenen spin polarizasyonu, düşük güçlü elektronikler için 2 boyutlu spintronik alanında büyük umut vaat ediyor.

Fizikçiler Singapur Ulusal Üniversitesi iki boyutlu malzemelerde spin bölünmesini tetiklemek ve doğrudan ölçmek için bir konsept geliştirdiler. Bu konsepti kullanarak deneysel olarak büyük ayarlanabilirlik ve yüksek derecede spin polarizasyonu elde ettiler. grafen. Bu araştırma başarısı, düşük güçlü elektronik uygulamalarıyla iki boyutlu (2D) spintronik alanını potansiyel olarak geliştirebilir.

Joule ısıtma, modern elektroniklerde, özellikle kişisel bilgisayarlar ve akıllı telefonlar gibi cihazlarda önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Bu, bir malzemeden geçen elektrik akımının termal enerji üretmesi ve ardından malzemenin sıcaklığının artmasıyla ortaya çıkan bir etkidir.

Potansiyel bir çözüm, mantık devrelerinde yük yerine spinin kullanılmasını içerir. Bu devreler, Joule ısınmasının azaltılması veya ortadan kaldırılması sayesinde prensip olarak düşük güç tüketimi ve ultra yüksek hız sunabilir. Bu, spintronik alanının ortaya çıkmasına neden oldu.

Grafen, uzun spin difüzyon uzunluğu ve oda sıcaklığında bile uzun spin ömrü nedeniyle spintronik için ideal bir 2D malzemedir. Grafen doğası gereği spin-polarize olmasa da, manyetik malzemelerin yakınına yerleştirilerek spin-bölünme davranışı sergilemesi sağlanabilir. Ancak iki temel zorluk var. Spin-bölünme enerjisini belirlemek için doğrudan yöntemlerin eksikliği ve grafenin spin özelliklerinde ve ayarlanabilirliğinde bir sınırlama vardır.

Grafen Spintronikte Atılım

NUS Fizik Bölümü’nden Profesör Ariando liderliğindeki bir araştırma ekibi, Landau fan kaymasını kullanarak manyetik grafendeki spin bölme enerjisini doğrudan ölçmek için yenilikçi bir konsept geliştirdi. Landau fan kayması, manyetik bir alanda yüklü parçacıkların enerji seviyelerinin bölünmesinden kaynaklanan, yük taşıyıcılarla salınım frekansının doğrusal uyumlarını çizerken kesişme kaymasını ifade eder. Maddenin temel özelliklerini incelemek için kullanılabilir.

Fizikçiler Grafen Spintronik Kullanarak Büyük İlerleme Elde Etti
Ferrimanyetik yalıtkan oksit Tm3Fe5O12’nin (TmIG) üstüne yerleştirilen bir grafen tabakası içindeki spin-polarize elektronların difüzyonunu gösteren şekil. Grafen ve TmIG arasındaki güçlü değişim etkileşimi, grafen bant yapısında önemli bir spin bölünmesine neden olur. Bu spin bölünmesi, sırasıyla “spin yukarı” (↑) ve “spin aşağı” (↓) olarak etiketlenen spin yönelimlerine sahip yük taşıyıcılarının yoğunluğunda önemli bir farklılığa neden olur. Taşıyıcı yoğunluğundaki bu fark, spin-polarize bir akımın oluşmasına neden olur.

Dahası, indüklenen spin-bölünme enerjisi, alan soğutma adı verilen bir teknikle geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Grafende gözlemlenen yüksek spin polarizasyonu, spin ayırma enerjisindeki ayarlanabilirlik ile birleştiğinde, düşük güçlü elektronikler için 2 boyutlu spintroniklerin geliştirilmesi için umut verici bir yol sunuyor.

Deneysel Doğrulama ve Teorik Destek

Araştırmacılar yaklaşımlarını doğrulamak için bir dizi deney gerçekleştirdiler. Manyetik yalıtkan bir oksit Tm üzerine tek katmanlı bir grafeni istifleyerek manyetik bir grafen yapısı oluşturmaya başladılar.

Bu benzersiz yapı, manyetik grafendeki 132 meV’lik spin-bölünme enerji değerini doğrudan ölçmek için Landau fan kaymasını kullanmalarına olanak sağladı.

Landau fan kayması ile spin-bölünme enerjisi arasındaki doğrudan ilişkiyi daha da doğrulamak için araştırmacılar, grafendeki spin-bölünme derecesini ayarlamak amacıyla saha soğutma deneyleri gerçekleştirdiler. Ayrıca spin polarizasyonunun kökenlerini ortaya çıkarmak için Singapur Synchrotron Işık Kaynağında X-ışını manyetik dairesel dikroizmi uyguladılar.

NUS Fizik Bölümü Kıdemli Araştırma Görevlisi ve araştırma makalesinin baş yazarı Dr. Junxiong HU şunları söyledi: “Çalışmamız, Landau fan değişimini doğrudan ölçmek için kullanan bir konsept geliştirerek 2 boyutlu spintronikte uzun süredir devam eden tartışmayı çözüyor. manyetik malzemelerde spin bölünmesi.”

Deneysel bulgularını daha da desteklemek için araştırmacılar, ilk prensip hesaplamalarını kullanarak spin-bölünme enerjisini hesaplamak için Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Profesör Zhenhua QIAO liderliğindeki teorik bir ekiple işbirliği yaptı.

Elde edilen teorik sonuçlar deneysel verilerle tutarlıydı. Üstelik şunu da kullandılar makine öğrenme deneysel verilerini, alan soğutması ile spin-bölünme enerjisinin ayarlanabilirliğinin daha derin bir şekilde anlaşılmasını sağlayan fenomenolojik bir modele dayandırmak için.

Prof Ariando şunları söyledi: “Çalışmamız atomik olarak ince malzemelerde elektronların dönüşünü oluşturmak, tespit etmek ve manipüle etmek için sağlam ve benzersiz bir yol geliştiriyor. Aynı zamanda malzeme biliminde yapay zekanın pratik kullanımını da gösteriyor. Atomik olarak ince van der Waals heteroyapılarında 2 boyutlu mıknatıslar ve istifleme kaynaklı manyetizma alanındaki hızlı gelişme ve önemli ilgi ile, sonuçlarımızın diğer çeşitli 2 boyutlu manyetik sistemlere genişletilebileceğine inanıyoruz.

Bu kavram kanıtı çalışmasını temel alan araştırma ekibi, oda sıcaklığında dönme akımının manipülasyonunu araştırmayı planlıyor. Amaçları, bulgularını 2 boyutlu spin-lojik devrelerin ve manyetik hafıza/duyusal cihazların geliştirilmesinde uygulamaktır. Akımın spin polarizasyonunu verimli bir şekilde ayarlama yeteneği, tamamen elektrikli spin alan etkili transistörlerin gerçekleştirilmesinin temelini oluşturur ve düşük güç tüketimi ve ultra hızlı elektroniklerde yeni bir çağ başlatır.

Referans: Junxiong Hu, Yulei Han, Xiao Chi, Ganesh Ji Omar, Mohammed Mohammed Esmail Al Ezzi, Jian Gou, Xiaojiang Yu, Rusydi Andrivo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi tarafından yazılan “Ferrimanyetik Oksit İzolatöründe Grafende Ayarlanabilir Spin-Polarize Durumlar” , Andrew Thye Shen Wee, Zhenhua Qiao ve A. Ariando, 9 Ekim 2023.