Fizikantët arrijnë përparim të madh duke përdorur grafen Spintronics

Fizikantët në Universitetin Kombëtar të Singaporit kanë shpikur një koncept për të nxitur dhe për të matur drejtpërdrejt ndarjen e rrotullimit në materiale dydimensionale. Duke përdorur këtë koncept, ata kanë arritur eksperimentalisht akordim të madh dhe një shkallë të lartë të polarizimit spin në grafen . Kjo arritje kërkimore mund të avancojë potencialisht fushën e spintronicës dydimensionale (2D), me aplikime për elektronikë me fuqi të ulët.

Ngrohja me Xhaul paraqet një sfidë të rëndësishme në elektronikën moderne, veçanërisht në pajisje të tilla si kompjuterët personalë dhe telefonat inteligjentë. Ky është një efekt që ndodh kur rrjedha e rrymës elektrike që kalon përmes një materiali prodhon energji termike, duke rritur më pas temperaturën e materialit.

Një zgjidhje e mundshme përfshin përdorimin e rrotullimit, në vend të ngarkesës, në qarqet logjike. Këto qarqe, në parim, mund të ofrojnë konsum të ulët të energjisë dhe shpejtësi ultra të shpejtë, për shkak të reduktimit ose eliminimit të ngrohjes Joule. Kjo ka krijuar një fushë në zhvillim të spintronicës.

Grafeni është një material ideal 2D për spintronikën, për shkak të gjatësisë së tij të gjatë të difuzionit të rrotullimit dhe jetëgjatësisë së gjatë të rrotullimit edhe në temperaturën e dhomës. Edhe pse grafeni nuk është në thelb i polarizuar me spin, ai mund të nxitet të shfaqë sjellje të ndarjes së rrotullimit duke e vendosur pranë materialeve magnetike. Megjithatë, ka dy sfida kryesore. Ekziston një mungesë e metodave të drejtpërdrejta për përcaktimin e energjisë së ndarjes së rrotullimit dhe një kufizim në vetitë e rrotullimit dhe përshtatshmërinë e grafenit.

Një ekip kërkimor i udhëhequr nga Profesor Ariando nga Departamenti i Fizikës NUS zhvilloi një koncept inovativ për të matur drejtpërdrejt energjinë e ndarjes së rrotullimit në grafin magnetik duke përdorur zhvendosjen e ventilatorit Landau. Zhvendosja e ventilatorit Landau i referohet zhvendosjes së ndërprerjes kur vizatohen përshtatje lineare të frekuencës së lëkundjeve me transportuesit e ngarkesës, e cila është për shkak të ndarjes së niveleve të energjisë të grimcave të ngarkuara në një fushë magnetike. Mund të përdoret për të studiuar vetitë themelore të materies.

Për më tepër, energjia e induktuar e ndarjes së rrotullimit mund të akordohet në një gamë të gjerë me një teknikë të quajtur ftohje në terren. Polarizimi i lartë i vëzhguar i rrotullimit në grafen, i shoqëruar me përshtatshmërinë e tij në energjinë e ndarjes së rrotullimit, ofron një rrugë premtuese për zhvillimin e spintronikave 2D për elektronikën me fuqi të ulët.

Studiuesit kryen një sërë eksperimentesh për të vërtetuar qasjen e tyre. Ata filluan duke krijuar një strukturë grafeni magnetik duke grumbulluar një grafen me një shtresë në majë të një oksidi izolues magnetik Tm 3 Fe 5 O 12 (TmIG). Kjo strukturë unike i lejoi ata të përdorin zhvendosjen e ventilatorit Landau për të përcaktuar drejtpërdrejt vlerën e saj të energjisë të ndarjes së rrotullimit prej 132 meV në grafin magnetik.

Për të vërtetuar më tej marrëdhënien e drejtpërdrejtë midis zhvendosjes së ventilatorit Landau dhe energjisë së ndarjes së rrotullimit, studiuesit kryen eksperimente ftohjeje në terren për të rregulluar shkallën e ndarjes së rrotullimit në grafen. Ata aplikuan gjithashtu dikroizëm rrethor magnetik me rreze X në Burimin e Dritës Synchrotron të Singaporit për të zbuluar origjinën e polarizimit spin.

Dr Junxiong HU, Hulumtues i Lartë në Departamentin e Fizikës NUS dhe autori kryesor për punimin kërkimor, tha: “Puna jonë zgjidh polemikën e gjatë në spintronikën 2D, duke zhvilluar një koncept që përdor zhvendosjen e tifozëve Landau për të përcaktuar drejtpërdrejt sasinë. ndarja e rrotullimit në materiale magnetike.”

Për të mbështetur më tej gjetjet e tyre eksperimentale, studiuesit bashkëpunuan me një ekip teorik të udhëhequr nga profesori Zhenhua QIAO nga Universiteti i Shkencës dhe Teknologjisë i Kinës, për të llogaritur energjinë e ndarjes së rrotullimit duke përdorur llogaritjet e parimit të parë.

Rezultatet teorike të marra ishin në përputhje me të dhënat e tyre eksperimentale. Për më tepër, ata përdorën gjithashtu mësimin e makinerive për të përshtatur të dhënat e tyre eksperimentale bazuar në një model fenomenologjik, i cili ofron një kuptim më të thellë të akordimit të energjisë së ndarjes së rrotullimit nga ftohja në terren.

Prof Ariando tha, “Puna jonë zhvillon një rrugë të fuqishme dhe unike për të gjeneruar, zbuluar dhe manipuluar rrotullimin e elektroneve në materiale të holla atomike. Ai gjithashtu demonstron përdorimin praktik të inteligjencës artificiale në shkencën e materialeve. Me zhvillimin e shpejtë dhe interesin e konsiderueshëm në fushën e magnetëve 2D dhe magnetizmit të induktuar nga grumbullimi në heterostrukturat atomike të holla van der Waals, ne besojmë se rezultatet tona mund të shtrihen në sisteme të tjera magnetike 2D.

Duke u bazuar në këtë studim të provës së konceptit, ekipi hulumtues planifikon të eksplorojë manipulimin e rrymës rrotulluese në temperaturën e dhomës. Qëllimi i tyre është të zbatojnë gjetjet e tyre në zhvillimin e qarkut 2D spin-logjik dhe memorien magnetike/pajisjet ndijore. Aftësia për të akorduar në mënyrë efikase polarizimin e rrotullimit të rrymës formon bazën për realizimin e transistorëve me efekt të fushës rrotulluese tërësisht elektrike, duke sjellë një epokë të re të konsumit të ulët të energjisë dhe elektronikës me shpejtësi ultra të shpejtë.