シンガポール国立大学の物理学者は、二次元材料のスピン分裂を誘発し、直接定量化できる概念を発明しました。この概念を使用することにより、彼らはグラフェンにおける大きな調整可能性と高度なスピン偏極を実験的に達成しました。本研究成果は、2次元スピンエレクトロニクス分野の発展を促進し、低消費電力エレクトロニクスへの応用が期待されます。
現代のエレクトロニクス、特にパーソナルコンピュータやスマートフォンなどの機器が直面している大きな課題は、電流が材料を通過するときに熱エネルギーが発生し、材料の温度が上昇することです。
考えられる解決策の 1 つは、論理回路で電荷の代わりにスピンを使用することです。ジュール発熱が低減または排除されるため、これらの回路は原理的に低消費電力と超高速速度を実現できます。これにより、スピントロニクスという新興分野が誕生しました。
グラフェンは、室温でもスピン拡散長が長く、スピン寿命が長いため、スピントロニクスにとって理想的な 2D 材料です。グラフェン自体にはスピン極性がありませんが、グラフェンを磁性材料の近くに置くと、スピン分裂挙動を示すことができます。ただし、現在 2 つの大きな課題が存在します。 1 つはスピン分裂エネルギーを決定する直接的な方法がないこと、もう 1 つはグラフェンのスピン特性と調整可能性が制限されていることです。
グラフェンスピントロニクスの画期的な進歩
シンガポール国立大学物理学科の有戸教授率いる研究チームは、ランダウセクターシフトを利用して磁性グラフェンのスピン分裂エネルギーを直接定量化する革新的な概念を提案した。ランダウ セクター シフトは、発振周波数と電荷キャリアの直線近似をプロットしたときの切片のシフトであり、磁場内の荷電粒子のエネルギー レベルの分裂によって引き起こされます。物質の基本的な特性を研究するために使用できます。
さらに、誘起されたスピン分裂エネルギーは、フィールド冷却と呼ばれる技術によって広範囲に調整できます。グラフェンで観察される高いスピン偏極は、そのスピン分裂エネルギーの調整可能性と相まって、低電力電子デバイス用の二次元スピントロニクスの開発に有望な道を提供します。
この研究結果は最近、Advanced Materials 誌に掲載されました。
実験的検証と理論的裏付け
研究者らは、自分たちの方法を検証するために一連の実験を実施しました。彼らは、最初に磁性絶縁酸化物 Tm3Fe5O12 (TmIG) 上にグラフェンの単層を積層することにより、磁性グラフェン構造を作成しました。このユニークな構造により、ランダウ セクター シフトを使用して磁性グラフェンの 132meV のスピン分割エネルギー値を直接定量化することができました。
ランダウセクターシフトとスピン分裂エネルギーの直接的な関係をさらに確認するために、研究者らはフィールド冷却実験を実施してグラフェンのスピン分裂の程度を調整した。彼らはまた、シンガポールシンクロトロン光源にX線磁気円二色性(X線磁気円二色性)技術を応用し、スピン偏極の起源を明らかにした。
「私たちの研究は、ランダウセクターシフトを利用して磁性材料のスピン分裂を直接定量化するという概念を提案することで、二次元スピントロニクスにおける長年の論争を解決します」と、研究論文の筆頭著者でシンガポール国立大学物理学科の上級研究員であるウー・ジュンション博士は述べた。
実験結果をさらに裏付けるために、研究者らは中国科学技術大学のQiao Zhenhua教授率いる理論チームと協力し、第一原理を用いてスピン分裂エネルギーを計算した。得られた理論的結果は実験データと一致しています。さらに、彼らは機械学習を使用して、現象論的モデルに基づいて実験データを適合させ、場の冷却によるスピン分裂エネルギーの調整可能性についての理解を深めました。
アリアンド教授は「私たちの研究は、原子的に薄い材料で電子スピンを生成、検出、操作するための強力かつユニークな経路を開発するものである。また、材料科学における人工知能の実用化も実証している。2D磁石や原子的に薄いファンデルワールスヘテロ構造における積層誘起磁性の分野への急速な発展と大きな関心により、私たちの成果は他のさまざまな2D磁気システムに応用できると考えている。」と述べた。
この概念実証研究に基づいて、チームは室温でのスピン流の操作を研究する予定です。彼らの目標は、研究結果を二次元スピンロジック回路や磁気メモリ/センシングデバイスの開発に応用することです。電流のスピン偏極を効果的に制御する能力は、全電気スピン電界効果トランジスタを実現するための基礎を築き、低電力および超高速電子デバイスの新時代の到来をもたらします。
コンパイルされたソース: ScitechDaily