在自旋電子學(xué)中，電子的磁矩（自旋）被用來傳輸和操縱信息。一個(gè)超緊湊的二維自旋邏輯電路可以由二維材料構(gòu)建，它可以遠(yuǎn)距離傳輸自旋信息，也可以提供電荷電流的強(qiáng)自旋極化。格羅寧根大學(xué)（荷蘭）和哥倫比亞大學(xué)（美國(guó)）的物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)表明，磁性石墨烯可以成為這些二維自旋邏輯設(shè)備的最終選擇，因?yàn)樗梢杂行У貙㈦姾赊D(zhuǎn)換為自旋電流，并且可以長(zhǎng)距離傳輸這種強(qiáng)自旋極化。

這一發(fā)現(xiàn)于今天（2021年5月6日）發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》上。

自旋電子器件是目前電子器件的頗有前景的高速和節(jié)能替代品。這些設(shè)備利用電子的磁矩即所謂的自旋（"向上"或 "向下"）來傳輸和存儲(chǔ)信息。記憶技術(shù)的不斷縮減需要越來越小的自旋電子器件，因此它尋求能夠主動(dòng)產(chǎn)生大自旋信號(hào)并在微米級(jí)的距離上傳輸自旋信息的原子級(jí)薄材料。

十多年來，石墨烯一直是傳輸自旋信息的最有利的二維材料。然而，石墨烯本身不能產(chǎn)生自旋電流，除非它的特性被適當(dāng)?shù)匦薷?。?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是使其作為一種磁性材料。磁性將有利于一種自旋的通過，從而在自旋上升與自旋下降的電子數(shù)量上產(chǎn)生不平衡。在磁性石墨烯中，這將帶來一個(gè)高度自旋極化的電流。

第一作者Talieh Ghiasi(右)和第二作者Alexey Kaverzin在Zernike高級(jí)材料研究所的納米器件物理實(shí)驗(yàn)室。資料來源：格羅寧根大學(xué)

這個(gè)想法現(xiàn)在已經(jīng)被格羅寧根大學(xué)教授領(lǐng)導(dǎo)的納米器件物理小組的科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中證實(shí)。由格羅寧根大學(xué)Zernike先進(jìn)材料研究所的Bart van Wees教授領(lǐng)導(dǎo)的納米器件物理學(xué)小組的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)了這個(gè)想法。當(dāng)他們將石墨烯靠近二維層狀反鐵磁體CrSBr時(shí)，他們可以直接測(cè)量由磁性石墨烯產(chǎn)生的大量自旋極化電流。

在傳統(tǒng)的基于石墨烯的自旋電子器件中，鐵磁(鈷)電極被用來向石墨烯注入和檢測(cè)自旋信號(hào)。論文第一作者Talieh Ghiasi解釋說，與此相反，在由磁性石墨烯構(gòu)建的電路中，自旋的注入、傳輸和檢測(cè)都可以由石墨烯本身完成。我們檢測(cè)到磁性石墨烯中14%的電導(dǎo)率的異常大的自旋極化，這也有望通過橫向電場(chǎng)進(jìn)行有效調(diào)控。這一點(diǎn)，加上石墨烯出色的電荷和自旋傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)全石墨烯二維自旋邏輯電路，其中僅磁性石墨烯就可以注入、傳輸和檢測(cè)自旋信息。

此外，在任何電子電路中發(fā)生的不可避免的熱耗散在這些自旋電子器件中被轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢(shì)。由于焦耳加熱，磁性石墨烯中的溫度梯度被轉(zhuǎn)換為自旋電流。這是由自旋相關(guān)的塞貝克效應(yīng)發(fā)生的，實(shí)驗(yàn)中也首次在石墨烯中觀察到這種效應(yīng)。磁性石墨烯有效地產(chǎn)生自旋電流的電和熱，有望為二維自旋電子和自旋卡洛里特技術(shù)帶來實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

此外，石墨烯中的自旋輸運(yùn)對(duì)鄰近的反鐵磁體最外層的磁行為高度敏感。這意味著這種自旋輸運(yùn)測(cè)量能夠讀出單個(gè)原子層的磁化。因此，基于石墨烯的磁性裝置不僅解決了二維存儲(chǔ)器和傳感系統(tǒng)中石墨烯磁性的最技術(shù)相關(guān)問題，而且還提供了對(duì)磁性物理學(xué)的進(jìn)一步深入了解。

這些結(jié)果的未來影響將在歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃的背景下進(jìn)行研究，該計(jì)劃致力于石墨烯和二維材料的新應(yīng)用。