Использование графена позволило создать первый спин-фильтр, работающий при комнатной температуре - «Наука и технологии»

У графена, одного из самых удивительных материалов на свете, была весьма необычная история по отношению к спинтронике, области, в которой для кодирования и обработки информации используется направление вращения (спин) электрона, а не его электрический заряд. Сначала графен был забракован из-за отсутствия у него магнитных свойств, ведь спины всех электронов, курсирующих в этом материале, имеют случайные значения. Однако, усилиями ученых графен удалось искусственно снабдить свойствами магнитного материала, после чего у него открылся широкий ряд возможностей применения в спинтронике и других смежных областях.

Последним из таких достижений являются исследования, проведенные учеными из Военно-Морской Научно-исследовательской лаборатории (Naval Research Laboratory, NRL). Ученые поместили слой графена между слоями никеля и железа, получив первое в своем роде тонкопленочное устройство, способное к передаче спина электронов при комнатной температуре. Данное устройство может стать основой новых технологий магнитной памяти с произвольным доступом (magnetic random access memory, MRAM), в которой поляризованный соответствующим образом спин-импульс управляет состоянием ячейки памяти.

Фильтрация спина - это явление, которое позволяет пропустить через фильтр только электроны, обладающие определенным направлением вращения. Электроны с другим значением спина попросту отражаются от фильтрующего графенового слоя. Это гарантирует, что через фильтрующее устройство пройдут только те электроны, спин которых строго соответствует значению логической 1 или 0.

В данном случае фильтрование спина электронов происходит за счет взаимодействия квантово-механических свойств графена с подобными свойствами тонкого и прозрачного никелевого слоя. Следует отметить, что реализация такого требует точного выравнивания кристаллической решетки графена относительно кристаллической решетки никеля, но в результате этого через граничный барьер могут проходить только электроны с определенным спином, значение которого определяется относительным смещением кристаллической решетки двух материалов друг относительно друга.

"Возможность спин-фильтрования была обоснована теоретически достаточно давно. А на практике это было получено только в среде материалов, имеющих высокое электрическое сопротивление, охлажденных до криогенных температур" - рассказывает доктор Энрико Кобас (Dr. Enrique Cobas), научный руководитель проекта, - "Наш же графеновый спин-фильтр работает при комнатной температуре и имеет, при этом, весьма низкое электрическое сопротивление".

Ключевым моментом, позволившим создание графенового спин-фильтра, стала разработанная специалистами отдела Материаловедения NRL технология выращивания больших графеновых многослойных пленок на гладкой поверхности основания из никелевого сплава. Этот процесс был разработан специально с прицелом на сохранение магнитных свойств никелевого сплава, которые и определяют работоспособность спин-фильтра.

"У нас есть еще много пространства для дальнейших усовершенствований. Теория определяет, что эффективность работы спин-фильтра может быть увеличена на несколько порядков путем подбора количества графеновых слоев" - рассказывает доктор Олафа вант Ирв (Dr. Olaf van't Erve), - "Однако, все имеющиеся на сегодняшний день модели не учитывают преобразований спина, которые происходят на границе ферромагнитного материала. Как только мы найдем объяснение этим эффектам, подберем соответствующие материалы и геометрию устройства, мы вплотную приблизимся 100-процентной эффективности фильтрации спина графеновым слоем".