研究人员利用磁性石墨烯实现二维自旋逻辑存储器技术

在自旋电子学中，电子的磁矩（自旋）被用来传输和操纵信息。一个超紧凑的二维自旋逻辑电路可以由二维材料构建，它可以远距离传输自旋信息，也可以提供电荷电流的强自旋极化。格罗宁根大学（荷兰）和哥伦比亚大学（美国）的物理学家的实验表明，磁性石墨烯可以成为这些二维自旋逻辑设备的最终选择，因为它可以有效地将电荷转换为自旋电流，并且可以长距离传输这种强自旋极化。

这一发现于今天（2021 年 5 月 6 日）发表在《自然-纳米技术》上。

自旋电子器件是目前电子器件的颇有前景的高速和节能替代品。这些设备利用电子的磁矩即所谓的自旋（"向上"或 "向下"）来传输和存储信息。记忆技术的不断缩减需要越来越小的自旋电子器件，因此它寻求能够主动产生大自旋信号并在微米级的距离上传输自旋信息的原子级薄材料。

十多年来，石墨烯一直是传输自旋信息的最有利的二维材料。然而，石墨烯本身不能产生自旋电流，除非它的特性被适当地修改。实现这一目标的方法之一是使其作为一种磁性材料。磁性将有利于一种自旋的通过，从而在自旋上升与自旋下降的电子数量上产生不平衡。在磁性石墨烯中，这将带来一个高度自旋极化的电流。

第一作者 Talieh Ghiasi（右）和第二作者 Alexey Kaverzin 在 Zernike 高级材料研究所的纳米器件物理实验室。资料来源：格罗宁根大学

这个想法现在已经被格罗宁根大学教授领导的纳米器件物理小组的科学家们在实验中证实。由格罗宁根大学 Zernike 先进材料研究所的 Bart van Wees 教授领导的纳米器件物理学小组的科学家们现在已经证实了这个想法。当他们将石墨烯靠近二维层状反铁磁体 CrSBr 时，他们可以直接测量由磁性石墨烯产生的大量自旋极化电流。

在传统的基于石墨烯的自旋电子器件中，铁磁（钴）电极被用来向石墨烯注入和检测自旋信号。论文第一作者 Talieh Ghiasi 解释说，与此相反，在由磁性石墨烯构建的电路中，自旋的注入、传输和检测都可以由石墨烯本身完成。我们检测到磁性石墨烯中 14% 的电导率的异常大的自旋极化，这也有望通过横向电场进行有效调控。这一点，加上石墨烯出色的电荷和自旋传输特性，可以实现全石墨烯二维自旋逻辑电路，其中仅磁性石墨烯就可以注入、传输和检测自旋信息。

此外，在任何电子电路中发生的不可避免的热耗散在这些自旋电子器件中被转化为一种优势。由于焦耳加热，磁性石墨烯中的温度梯度被转换为自旋电流。这是由自旋相关的塞贝克效应发生的，实验中也首次在石墨烯中观察到这种效应。磁性石墨烯有效地产生自旋电流的电和热，有望为二维自旋电子和自旋卡洛里特技术带来实质性的进展。

此外，石墨烯中的自旋输运对邻近的反铁磁体最外层的磁行为高度敏感。这意味着这种自旋输运测量能够读出单个原子层的磁化。因此，基于石墨烯的磁性装置不仅解决了二维存储器和传感系统中石墨烯磁性的最技术相关问题，而且还提供了对磁性物理学的进一步深入了解。

这些结果的未来影响将在欧盟石墨烯旗舰计划的背景下进行研究，该计划致力于石墨烯和二维材料的新应用。