Grafen är lovande för framtidens spinndatorer

Forskare vid Chalmers har upptäckt att grafen kan bevara elektroners så kallade spinn betydligt längre tid och förmedla det över större avstånd än vad som hittills varit känt. Detta öppnar dörren för utvecklingen av spinntronik, med sikte på snabbare och energisnålare processorer i datorer. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications.

– Vi tror att de här resultaten kommer att väcka stor uppmärksamhet i forskarvärlden och sätta grafen på kartan för tillämpningar inom spinntroniska komponenter, säger Saroj Dash, som leder forskargruppen på Chalmers.
Spinntronik bygger på elektronernas kvanttillstånd och tekniken används redan idag i avancerade hårddiskar för datalagring. Men där behöver den spinnbaserade informationen bara förflytta sig några få nanometer, alltså miljondelar av en millimeter. Vilket är tur, eftersom samordnat spinn är en egenskap hos elektroner som i de flesta material är extremt kortlivad och ömtålig.
Det finns dock stora fördelar med att utnyttja spinn som informationsbärare, i stället för eller som komplement till elektrisk laddning. Spinntronik skulle bland annat kunna göra processorer betydligt snabbare och mindre energikrävande än vad de är idag.

Lovande kandidat
Grafen är en lovande kandidat för att vidga användningen av spinntronik inom elektronikindustrin. Det tunna kolnätet är nämligen inte bara en utmärkt elektrisk ledare, utan har även teoretiskt en sällsynt förmåga att släppa fram elektroner med spinnet i behåll.
– I framtida spinnbaserade komponenter räknar man med att elektronerna måste kunna föra med sig sitt spinn flera tiotals mikrometer. Metaller, som aluminium eller koppar, har inga förutsättningar att klara detta. Grafen framstår som det enda möjliga materialet, säger Saroj Dash, t.v.

Sanningen ställs på ända
I dag tillverkas grafen kommersiellt av ett fåtal företag enligt några olika metoder, som alla befinner sig i en tidig utvecklingsfas.
Förenklat kan man säga att grafen av hög kvalitet bara kan fås fram i mycket små bitar, medan större grafenstycken tillverkas på ett sätt som antingen ger för låg kvalitet eller har andra nackdelar ur elektronikindustrins synvinkel.
Men den sanningen ställs nu på ända genom de resultat som presenteras av forskargruppen på Chalmers.
De har nämligen genomfört sina experiment på så kallat CVD-grafen, som tillverkas genom kemisk ångdeponering. Metoden ger grafen med en hel del rynkor, ojämnheter och andra defekter.
Men den har även fördelar: Det finns goda utsikter för produktion av stora grafenstycken i industriell skala. Grafenet kan också enkelt tas loss från den kopparfolie där det byggs upp och lyftas över på en kiselplatta – halvledarindustrins standardmaterial.

Upp till sex gånger högre spinn än tidigare
Trots att materialkvaliteten alltså är långt ifrån perfekt kan forskargruppen nu visa på parametrar för spin som är upp till sex gånger högre än vad som tidigare rapporterats för någon form av grafen på liknande underlag.
– Våra mätningar visar att spinnsignalen går fram i grafenkanaler som är upp till 16 mikrometer långa. Varaktigheten för det samordnade spinnet har uppmätts till över en nanosekund, säger chalmersforskaren Venkata Kamalakar (t.v.), som är artikelns försteförfattare.
– Detta är lovande eftersom det talar för att spinnparametrarna kan förbättras ytterligare i takt med att tillverkningsmetoden utvecklas.

Målet: Nytt sätt utföra logiska operationer och lagra information
Att forskarna fokuserar på hur långt spinnströmmen kan förmedlas ska inte tolkas som att det bara handlar om att skicka information i ett nytt material – alltså att ersätta metaller eller halvledare med grafen.
Målet är i stället ett helt nytt sätt att utföra logiska operationer och lagra information. Ett koncept som, om det lyckas, skulle ta den digitala tekniken ett steg bortom dagens beroende av halvledare.
– Grafen är en god ledare och saknar bandgap. Men inom spinntroniken behövs inga bandgap för att ställa om mellan på och av, etta och nolla. Det styrs i stället med hjälp av elektronströmmens upp- eller nerspinn, förklarar Saroj Dash.
Ett mål på kort sikt är nu att konstruera en logisk komponent – inte olik en transistor – uppbyggd av grafen och magnetiskt material.
Huruvida spinntroniken på sikt helt och hållet kan ersätta halvledartekniken är en öppen fråga - mycket forskning återstår. Men att grafen, med sina dubbla ledningsförmågor, kommer att finnas med i sammanhanget är högst sannolikt.

Foto: Oscar Mattsson

Bildtext, översta bilden: Forskarna har tillverkat spinntronik-komponenten i Nanotekniklaboratoriet på Chalmers tekniska högskola. Från vänster: Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta och André Dankert.

Fakta om forskningen
Läs den vetenskapliga artikeln Long Distance Spin Communication in CVD Graphene

Forskargruppen på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap - MC2 - på Chalmers består av Saroj Dash, som leder gruppen, Venkata Kamalakar, som är artikelns försteförfattare, samt André Dankert och Christiaan Groenveld. Forskningen har finansierats av Chalmers styrkeområde Nanovetenskap och nanoteknik.


Spinntransport i grafen

I grafen kommer elektroner ihåg sin magnetisering, eller sitt spinn (de rosa pilarna i bilden) mycket längre än vad de gör i vanliga ledare som koppar och aluminium. Det är möjligt att denna egenskap i grafen gör att så kallad spinntronik kan utvecklas till ett komplement till traditionell elektronik som bara utnyttjar en av elektronens frihetsgrader, nämligen dess laddning. Illustration: M Venkata Kamalakar et al, Nature Communications


Mikroskopbild av spinntronik-komponenten

Den är tillverkad på CVD-grafen med långa kanaler (upp till 16 mikrometer) på Si/SiO2-substrat, med flera ferromagnetiska kontakter (Co/TiO2) för spinn-injektion och detektion. Komponenten har tillverkats i Nanotekniklaboratoriet på Chalmers tekniska högskola. Illustration: M Venkata Kamalakar et al, Nature Communications


Schematisk illustration av spinntransport i CVD-grafen

Schematisk illustration av spinntransport i CVD-grafen på Si/SiO2-substrat, med ferromagnetiska kontakter (Co/TiO2) för spinn-injektion och detektion. Illustration: M Venkata Kamalakar et al, Nature Communications

Detta är spinn
Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elementarpartiklar, som bland annat ger upphov till fenomenet magnetism. Spinnet kan vara antingen riktat upp eller ner. Bland elektroner i en normal elektrisk ström är spinnet slumpvis fördelat, strömmen bär ingen spinnsignal. Men med hjälp av magneter kan elektroner som matas in i en ledare polariseras, så att alla får spinnet riktat upp – eller ner. Man kan likna elektronerna vid en rad små kompassnålar, som alla pekar mot nord eller syd.
Utmaningen är att upprätthålla denna ordning tillräckligt länge och över tillräckligt stora avstånd.

Därför funkar spinn i grafen
Elektronernas samordnade spin störs lätt av faktorer i omgivningen. Atomer och deras kristallstrukturer i det ledande materialet har ett elektriskt fält, som uppfattas som ett magnetfält av de elektroner som rusar förbi. Men eftersom kol är en så pass lätt atom, med bara sex protoner som sitter i en symmetrisk hexagonstruktur, blir denna magnetiska störning mycket begränsad.
Atomkärnans eget spinn är också en potentiell störningskälla. Men nettospinnet från kärnan är försumbart, tack vare att de flesta kolatomer är av isotopen C12, med lika många neutroner som protoner.

Tre sätt att tillverka grafen
  • Nobelpristagarna Geim och Novoselov tillverkade grafen från grafit med hjälp av vanlig hushållstejp. Liknande metoder används idag för att producera grafen av hög kvalitet. Men bitarna blir små.
  • Företaget Graphensic, som bildats av forskare vid Linköpings universitet, tillverkar grafen som "odlas fram" ur ett underlag av kiselkarbid.
  • På Chalmers tillverkas grafen med metoden kemisk ångdeponering (CVD, chemical vapor depositition). I den aktuella studien har forskarna använt grafen som det spanska företaget Graphenea har tillverkat med kemisk ångdeponering.
För mer information, kontakta:
Venkata Kamalakar Mutta, forskare i kvantkomponentfysik, Chalmers, +46 31 772 51 70, venkata.mutta@chalmers.se
Saroj Dash, docent i kvantkomponentfysik, Chalmers, +46 31 772 51 70, saroj.dash@chalmers.se

Publicerad: fr 17 apr 2015.