在自旋電子學(xué)中，電子的磁矩（自旋）被用來(lái)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建，它可以遠距離傳輸自旋信息，也可以提供電荷電流的強自旋極化。格羅寧根大學(xué)（荷蘭）和哥倫比亞大學(xué)（美國）的物理學(xué)家的實(shí)驗表明，磁性石墨烯可以成為這些二維自旋邏輯設備的最終選擇，因為它可以有效地將電荷轉換為自旋電流，并且可以長(cháng)距離傳輸這種強自旋極化。
這一發(fā)現于今天（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能替代品。這些設備利用電子的磁矩即所謂的自旋（"向上"或 "向下"）來(lái)傳輸和存儲信息。記憶技術(shù)的不斷縮減需要越來(lái)越小的自旋電子器件，因此它尋求能夠主動(dòng)產(chǎn)生大自旋信號并在微米級的距離上傳輸自旋信息的原子級薄材料。
十多年來(lái)，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地修改。實(shí)現這一目標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(guò)，從而在自旋上升與自旋下降的電子數量上產(chǎn)生不平衡。在磁性石墨烯中，這將帶來(lái)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高級材料研究所的納米器件物理實(shí)驗室。資料來(lái)源：格羅寧根大學(xué)
這個(gè)想法現在已經(jīng)被格羅寧根大學(xué)教授領(lǐng)導的納米器件物理小組的科學(xué)家們在實(shí)驗中證實(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)導的納米器件物理學(xué)小組的科學(xué)家們現在已經(jīng)證實(shí)了這個(gè)想法。當他們將石墨烯靠近二維層狀反鐵磁體CrSBr時(shí)，他們可以直接測量由磁性石墨烯產(chǎn)生的大量自旋極化電流。
在傳統的基于石墨烯的自旋電子器件中，鐵磁(鈷)電極被用來(lái)向石墨烯注入和檢測自旋信號。論文第一作者Talieh Ghiasi解釋說(shuō)，與此相反，在由磁性石墨烯構建的電路中，自旋的注入、傳輸和檢測都可以由石墨烯本身完成。我們檢測到磁性石墨烯中14%的電導率的異常大的自旋極化，這也有望通過(guò)橫向電場(chǎng)進(jìn)行有效調控。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化為一種優(yōu)勢。由于焦耳加熱，磁性石墨烯中的溫度梯度被轉換為自旋電流。這是由自旋相關(guān)的塞貝克效應發(fā)生的，實(shí)驗中也首次在石墨烯中觀(guān)察到這種效應。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(lái)實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。
此外，石墨烯中的自旋輸運對鄰近的反鐵磁體最外層的磁行為高度敏感。這意味著(zhù)這種自旋輸運測量能夠讀出單個(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器和傳感系統中石墨烯磁性的最技術(shù)相關(guān)問(wèn)題，而且還提供了對磁性物理學(xué)的進(jìn)一步深入了解。
這些結果的未來(lái)影響將在歐盟石墨烯旗艦計劃的背景下進(jìn)行研究，該計劃致力于石墨烯和二維材料的新應用。
