Ανισότροπα πολωμένα ρεύματα σπιν μεγάλης διάρκειας δημιούργησαν ερευνητές σε γραφένιο

Οι εκπληκτική ηλεκτρική αγωγιμότητα του γραφένιου το καθιστά πρωτεύοντα στόχο για τις τεχνολογίες spintronics, οι οποίες αξιοποιούν το σπιν του ηλεκτρονίου για αποθήκευση και μεταφορά δεδομένων. Ωστόσο, είναι δύσκολο να διαχειριστούμε τα σπιν των ηλεκτρονίων του γραφένιου λόγω της ασθενούς σύζευξης σπιν-τροχιάς – τη σύζευξη μεταξύ του σπιν ενός ηλεκτρονίου και της κίνησής του*. Οι ερευνητές έχουν παρακάμψει το πρόβλημα αυτό τοποθετώντας στρώματα γραφένιου σε διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων (TMD), υλικά με ισχυρή σύζευξη σπιν-τροχιάς.

 Όμως έτσι, θέτουν σε κίνδυνο τις ηλεκτρικές ιδιότητες του γραφένιου. Τώρα δυο ομάδες έχουν δείξει ότι μπορούν να διαχειριστούν τη σύζευξη σπιν-τροχιάς σε διστρωματικό γραφένιο έτσι που οι διάρκειες ζωής των δυο κάθετα πολωμένων ρευμάτων σπιν στο υλικό να είναι σημαντικά διαφορετικές. Αυτά τα δυο στρώματα γραφένιου θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για πολωτές σπιν, οι οποίοι μεταφέρουν σπιν που είναι πολωμένα σε μια προτιμητέα κατεύθυνση.

Οι ομάδες οικοδόμησαν μια πρόσφατη θεωρία για τις διστρωματικές δομές του γραφένιου, που πρόβλεψε ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο θα μπορούσε να επάγει μια ασύμμετρη σύζευξη σπιν-τροχιάς στο υλικό. Η σύζευξη θα είναι ασθενέστερη για τα «προς τα έξω από το επίπεδο» σπιν, που δείχνουν σε κατεύθυνση κάθετη στο στρώμα του γραφένιου. Τα σπιν αυτά θα μένουν πολωμένα περισσότερο από ότι τα σπιν που βρίσκονται «επί του επιπέδου», των οποίων οι διάρκειες ζωής θα μειώνονται με φαινόμενα αλλαγής φάσης που προκαλούνται από τις αλλαγές στη δομή της ζώνης του γραφένιου που θα επάγεται από το ηλεκτρικό πεδίο.

Ο Johannes Christian Leutenantsmeyer από το Πανεπιστήμιο του Groningen, στην Ολλανδία και οι συνεργάτες του και ο Jinsong Xu από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Ohio και οι συνεργάτες του, επιβεβαίωσαν πειραματικά ότι το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να επάγει ασύμμετρη σύζευξη σπιν-τροχιάς σε διστρωματικό γραφένιο. Οι ομάδες των πέτυχαν ρεύματα «προς τα έξω από το επίπεδο» σπιν πάνω από 12 φορές μεγαλύτερα από τα «επί του επιπέδου» αντίστοιχα. Στα πειράματα και των δυο ομάδων, τα ρεύματα έμειναν πολωμένα για περίπου 9 ns, μια χρονική διάρκεια πόλωσης πάνω από 100 φορές μεγαλύτερη από ότι είχε επιτευχθεί προηγουμένως σε διστρωματικό γραφένιο-TMD.
---------------------------
*Σημείωση: Μαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ στροφορμής λόγω περιφοράς και σπιν (ας πούμε στροφορμή λόγω ιδιοπεριστροφής). Υπάρχουν εξαιρετικά πολύπλοκες θεωρίες της αλληλεπίδρασης αυτής – όπως αυτές που βασίζονται στην εξίσωση του Dirac – που δείχνουν πως είναι ένα σχετικιστικό φαινόμενο.