Nästa generations 2D-kristall och nanomagnetiska spinnkretsar

Venkata Kamalakar Mutta vid molekyl- och kondenserade materiens fysik har tilldelats 3,2 miljoner i etableringsbidrag vid Vetenskapsrådets stora utlysning i naturvetenskap och teknikvetenskap i november 2016 för perioden 2016-2020 för projektet ”Nästa generations 2D kristall och nano-magnetiska spinnkretsar”.

Projektbeskrivning

Föreställ dig ett bekvämt tyg som kan generera elektricitet från din kroppsvärme eller från den omgivande miljön som kan driva dina mobila elektroniska prylar. Tänk om du bara skulle behöva ladda mobiltelefonens batteri en gång i månaden eller att laddningen höll i månader. För att sådana underverk ska hända i framtiden, behöver vi arbeta från två håll. Vi måste dels uppfinna nya typer av elektroniska komponenter som kräver mycket mindre energi för att drivas, dels utnyttja el ur spillvärme eller från omgivningen. För att förverkliga detta krävs nya material och nya vetenskapliga paradigmer. Sammanslagningen av de två vetenskapliga områdena, tvådimensionella material och spinntronik, har identifierats som en potentiell lösning på problemet.

Tvådimensionella (2D) kristaller är atomtunna plana ark bestående av atomer arrangerade i ett plan, till skillnad från bulk eller tredimensionella material. Sådana kristaller är oerhört tunna, med tjocklek i området av endast en miljarddels meter. Det välkända materialet grafen, som upptäcktes 2004 och belönades med Nobelpriset 2010, är det första 2D-material som har dykt upp som ett undermaterial för sina framstående fysikaliska egenskaper. 2D-material har visat stor potential för framtida elektronik; med stor flexibilitet och hållfasthet, kan de ta många former och är de bästa materialen för flexibla nanoelektroniska komponenter. Under de senaste åren har användningen av sådana material för spinntroniska komponenter visat obegränsade möjligheter för lågspänningsutrustning och energifångande komponenter.

Spinntronik är ett område inom den för informationsåldern viktiga nanotekniken. Konventionell elektronik är baserad på styrning av flödet av elektroner, negativt laddade subatomära partiklar, för transport och lagring av information. Men en elektron har förutom laddning även en egenskap som kallas ”spinn”. Spinn är en kvantegenskap, analogt med rotationsriktningen av en snurra. Precis som att en kompassnål kan peka mot norr eller söder kan en elektron bete sig som en liten magnet som kan peka antingen uppåt eller nedåt i ett magnetiskt material. Om de tvingas att flytta ut ur det magnetiska materialet till en icke-magnet, behåller det spinninformationen. Att utnyttja elektronspinn är kärnan i spinntroniken. Den dramatiska ökningen av lagringskapacitet i datorer är ett resultat av ett spinntroniskt fenomen som kallas ”jättemagnetresistans” (Nobelpris 2007). I färdplanen för spinntroniska komponenter är detta bara toppen av ett isberg.

Under de senaste åren har forskning om spinntroniska komponenter som använder 2D material uppvisat en enorm potential för lågeffekts-elektronik genom att transportera eller manipulera spinnströmmar (strömmar av elektroner med identisk upp- eller ned-spinn). Ett exempel är 2D-materialet grafen som är det mest kända materialet för att transportera spinnströmmar på avstånd över hundra mikrometer. Detta är inte möjligt i de flesta normala material (metaller eller halvledare) där elektroner förlorar sin spinninformation inom en mikrometer. Andra 2D-material såsom molybdendisulfid och molybdendiselenid är kandidater som kan användas för att manipulera (ändra från uppspinn till nedspinn) eller bearbeta spinninformation. Transport och hantering av spinn är det primära kravet för framtida spinnbaserade lågeffekttransistorer. Dessutom kan spinnströmmar användas för att manipulera magnetism i extremt små magneter, så kallade nanomagneter. Detta skulle kunna leda till möjligheten att integrera minnes och logiska kretsar på samma chip, vilket är det yttersta målet för spinntroniken.

Vi använder nanoteknologiska spjutsspetsverktyg för att förverkliga ovanstående möjligheter och uppfinna nästa generations elektronik. För att göra det tar vi fundamental angreppsvinkel för att utveckla förståelsen av materialens spinntroniska detaljer. För det första undersöker vi hur spinn eller elektroner färdas genom grafen och andra 2D-material under olika förhållanden. För det andra kombinerar vi grafen och andra 2D-material för att undersöka möjligheten att bearbeta spinninformation. Parallellt undersöker vi också hur spinnströmmar kan användas för att manipulera magnetism i nanomagnetiska kretsar. Slutligen vill vi integrera alla dessa system för att göra prototyper av avancerade spinntroniska komponenter som kan demonstrera nästa generations spinnfunktionalitet.