Spinnlivslängden för elektroner i grafen ökas av magnetiska fält

Forskare vid Chalmers tekniska högskola visar att ett måttligt magnetiskt fält i planet ökar spinnlivslängden för elektroner i grafen. Resultaten av detta arbete har djupgående konsekvenser för användningen av grafen som plattform för spinntronik bortom CMOS, och är ett viktigt bidrag till förståelsen av fysiken i 2D-material. Resultaten har nyligen publicerats i den prestigefyllda tidskriften Physical Review Letters.
– Med det här arbetet har vi bidragit till att lägga en pusselbit till svaret på varför grafen i praktiken inte är lika bra för spinntronik som det förutsägs teoretiskt. Vi måste hitta fler bitar till det här fascinerande pusslet, säger Sergey Kubatkin, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers.

Grafen är en av de lovande kandidaterna för plattformar bortom CMOS inom spinntronik, användning av elektronspinn för informationsbehandling. En praktisk förutsättning för spinntronik är att man kan hitta material där elektronspinnet kan röra sig långa sträckor utan störning, det vill säga material med lång spinnlivslängd. I teorin är grafen ett idealiskt material för detta, tack vare den stora rörligheten för laddningsbärare och förmågan att bibehålla elektronspinnet i storleksordningen millisekunder. Men i verkligt grafen är spinnlivslängden av storleksordningen nanosekunder, det vill säga skillnaden mellan teori och experiment är ungefär sex tiopotenser.

Vad begränsar spinnlivslängden i verkliga grafenkomponenter? Det är den fråga som studien försöker besvara, och en av de stora gåtorna inom grafenfysik. I en tidigare artikel i samma tidskrift som publicerades i oktober 2011 (se länken nedan) presenterade gruppen idén att spinnlivslängden i grafen kan vara begränsad av spridning mot defekter i grafenet, som uppför sig som magnetiska orenheter. Nu har gruppen bevisat detta direkt, genom att applicera ett måttligt magnetiskt fält i planet och observera en ökning av elektronernas spinnlivslängd: det magnetiska fältet i planet fryser de magnetiska defekterna, och störningarna i elektronspinnet i grafenet undertrycks.

För att undersöka effekterna mätte forskarna elektronspinnrelaxation via kvantspinnkorrigeringar av elektrisk konduktivitet för grafen vid låga temperaturer. Denna kvantkorrektion förstörs av svaga vinkelräta magnetiska fält och genom temperaturens randomiseringseffekt, men experimentellt uppmäts den till ändlig även vid mycket låg temperatur. Det magnetiska fältet i planet hade en påverkan på spinnlivslängden som inte var monoton, vilket inte var enligt förväntan: ett mycket svagt fält i planet gav en liten men mätbar minskning i spinnlivslängden innan den ökades i ett något starkare fält. Uppträdandet i det svaga fältet kunde beskrivas som ett tidigare okänt spinndynamiskt bidrag till magnetotransport:  fältet i planet framtvingar precession i både elektronspinnet och spinnet hos de magnetiska defekterna. Om båda roterar i samma takt och riktning påverkar precessionen inte elektronernas spinnlivslängd. Men om elektronerna "ser" de spridande orenheterna med slumpmässig fas, minskar elektronernas spinnlivslängd.

Denna artikel, som även valdes ut som Editor’s Suggestion av Physical Review Letters, är resultatet av två års arbete av en internationell grupp, med forskare från avdelningen för kvantkomponentfysik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2 – på Chalmers.

Referenser:
S. Lara-Avila, S. Kubatkin, O. Kashuba, J. A. Folk, S. Lüscher, R. Yakimova, T.?J.?B.?M. Janssen, A. Tzalenchuk och V. Fal’ko (2015) Influence of Impurity Spin Dynamics on Quantum Transport in Epitaxial Graphene. Phys. Rev. Lett. 115, 106602 (2015).
dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.106602

S. Lara-Avila, A. Tzalenchuk, S. Kubatkin, R. Yakimova, T. J. B. M. Janssen, K. Cedergren, T. Bergsten och V. Fal’ko (2011) Disordered Fermi Liquid in Epitaxial Graphene from Quantum Transport Measurements. Phys. Rev. Lett. 107, 166602 (2011).
dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.166602

Finansiärer:
Linnaeus Centre for Quantum Engineering, Vetenskapsrådet (VR), Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF), Chalmers Styrkeområde Nanovetenskap och nanoteknik,  Graphene Flagship och EMRP GraphOhm.

Kontakter:
Samuel Lara-Avila, biträdande professor i kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola,  samuel.lara@chalmers.se, +46 31 772 30 31
Sergey Kubatkin, professor i kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, sergey.kubatkin@chalmers.se, +46 31 772 54 75

Sidansvarig Publicerad: fr 09 okt 2015.