Os pesquisadores do NUS demonstraram o surgimento de uma polarização de spin robusta no grafeno em um óxido isolante ferrimagnético Tm3Fe5O12 (TmIG) com grande energia de divisão de spin de até centenas de meV. A polarização de spin observada no grafeno com energia de divisão de spin grande e ajustável é uma grande promessa para o campo da spintrônica 2D para eletrônica de baixa potência. Crédito: Universidade Nacional de Singapura
Físicos da Universidade Nacional de Cingapura inovaram em um conceito para induzir e quantificar diretamente a divisão de spin em materiais bidimensionais. Ao usar este conceito, eles alcançaram experimentalmente uma grande sintonização e um alto grau de polarização de spin em grafeno. Esta conquista de pesquisa pode potencialmente avançar no campo da spintrônica bidimensional (2D), com aplicações para eletrônica de baixa potência.
O aquecimento Joule representa um desafio significativo na eletrônica moderna, especialmente em dispositivos como computadores pessoais e smartphones. Este é um efeito que ocorre quando o fluxo de corrente elétrica que passa por um material produz energia térmica, aumentando posteriormente a temperatura do material.
Uma solução potencial envolve o uso de spin, em vez de carga, em circuitos lógicos. Estes circuitos podem, em princípio, oferecer baixo consumo de energia e velocidade ultrarrápida, devido à redução ou eliminação do aquecimento Joule. Isso deu origem ao campo emergente da spintrônica.
O grafeno é um material 2D ideal para spintrônica, devido ao seu longo comprimento de difusão de spin e longa vida útil de spin, mesmo em temperatura ambiente. Mesmo que o grafeno não seja inerentemente polarizado por spin, ele pode ser induzido a exibir um comportamento de divisão de spin colocando-o próximo a materiais magnéticos. No entanto, existem dois desafios principais. Há uma falta de métodos diretos para determinar a energia de divisão do spin e uma limitação nas propriedades de spin e na sintonização do grafeno.
Avanço na Spintrônica do Grafeno
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Ariando, do Departamento de Física da NUS, desenvolveu um conceito inovador para quantificar diretamente a energia de divisão de spin no grafeno magnético usando o deslocamento do leque Landau. O deslocamento do ventilador Landau refere-se ao deslocamento da interceptação ao traçar ajustes lineares de frequência de oscilação com portadores de carga, que é devido à divisão dos níveis de energia das partículas carregadas em um campo magnético. Pode ser usado para estudar as propriedades fundamentais da matéria.
Figura mostrando a difusão de elétrons polarizados por spin dentro de uma camada de grafeno colocada no topo de um óxido isolante ferrimagnético Tm3Fe5O12 (TmIG). A forte interação de troca entre o grafeno e o TmIG resulta em uma divisão significativa do spin da estrutura da banda do grafeno. Essa divisão de spin, por sua vez, resulta em uma diferença substancial na densidade dos portadores de carga com orientações de spin rotuladas como “spin up” (↑) e “spin down” (↓). Esta diferença na densidade da portadora dá origem à geração de uma corrente polarizada por spin. Crédito: Materiais Avançados
Além disso, a energia de divisão de spin induzida pode ser ajustada em uma ampla faixa por uma técnica chamada resfriamento de campo. A alta polarização de spin observada no grafeno, juntamente com sua sintonização na energia de divisão de spin, oferece um caminho promissor para o desenvolvimento de spintrônica 2D para eletrônica de baixa potência.
As descobertas foram publicadas recentemente na revista Materiais avançados.
Validação Experimental e Suporte Teórico
Os pesquisadores realizaram uma série de experimentos para validar sua abordagem. Eles começaram criando uma estrutura magnética de grafeno empilhando uma monocamada de grafeno no topo de um óxido isolante magnético Tm.3Fé5Ó12 (TmIG). Esta estrutura única permitiu-lhes utilizar o deslocamento do ventilador Landau para quantificar diretamente o seu valor de energia de divisão de spin de 132 meV no grafeno magnético.
Para corroborar ainda mais a relação direta entre a mudança do ventilador de Landau e a energia de divisão do spin, os pesquisadores realizaram experimentos de resfriamento de campo para ajustar o grau de divisão do spin no grafeno. Eles também aplicaram dicroísmo circular magnético de raios X na Fonte de Luz Síncrotron de Cingapura para revelar as origens da polarização de spin.
Junxiong HU, pesquisador sênior do Departamento de Física da NUS e autor principal do artigo de pesquisa, disse: “Nosso trabalho resolve a controvérsia de longa data na spintrônica 2D, desenvolvendo um conceito que usa a mudança do ventilador Landau para quantificar diretamente a divisão do spin em materiais magnéticos.”
Para apoiar ainda mais as suas descobertas experimentais, os investigadores colaboraram com uma equipa teórica liderada pelo professor Zhenhua QIAO da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, para calcular a energia de divisão de spin utilizando cálculos de primeiros princípios.
Os resultados teóricos obtidos foram consistentes com seus dados experimentais. Além disso, eles também usaram aprendizado de máquina para ajustar seus dados experimentais com base em um modelo fenomenológico, que fornece uma compreensão mais profunda da sintonização da energia de divisão de spin por resfriamento de campo.
O professor Ariando disse: “Nosso trabalho desenvolve uma rota robusta e única para gerar, detectar e manipular o spin de elétrons em materiais atomicamente finos. Também demonstra o uso prático da inteligência artificial na ciência dos materiais. Com o rápido desenvolvimento e interesse significativo no campo de ímãs 2D e magnetismo induzido por empilhamento em heteroestruturas de van der Waals atomicamente finas, acreditamos que nossos resultados podem ser estendidos a vários outros sistemas magnéticos 2D.”
Com base neste estudo de prova de conceito, a equipe de pesquisa planeja explorar a manipulação da corrente de spin à temperatura ambiente. Seu objetivo é aplicar suas descobertas no desenvolvimento de circuitos lógicos de spin 2D e dispositivos de memória magnética/sensoriais. A capacidade de ajustar com eficiência a polarização de spin da corrente forma a base para a realização de transistores de efeito de campo de spin totalmente elétricos, inaugurando uma nova era de baixo consumo de energia e eletrônica de velocidade ultrarrápida.
Referência: “Estados Spin-Polarizados Ajustáveis em Grafeno em um Isolador de Óxido Ferrimagnético” por Junxiong Hu, Yulei Han, Xiao Chi, Ganesh Ji Omar, Mohammed Mohammed Esmail Al Ezzi, Jian Gou, Xiaojiang Yu, Rusydi Andrivo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi , Andrew Thye Shen Wee, Zhenhua Qiao e A. Ariando, 9 de outubro de 2023, Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.202305763
