格罗宁根大学的物理学家构建了一个二维自旋晶体管，其中通过石墨烯的电流产生自旋电流。将单层过渡金属二硫族化物(TMD)置于石墨烯的顶部以诱导石墨烯中的电荷 - 自旋转化。该实验观察结果发表在2019年9月11日出版的Nano Letters期刊上。
自旋电子学是一种创造低功率电子设备的有吸引力的替代方式。它不是基于充电电流而是基于电子自旋电流。自旋是电子的量子力学性质，可以用来传递或存储信息的磁矩。
异质
石墨烯是一种二维形式的碳，是一种出色的旋转转运蛋白。然而，为了产生或操纵自旋，需要其电子与原子核的相互作用：自旋 - 轨道耦合。这种互动是碳很弱，因此很难产生或操纵自旋流在石墨烯。然而，已经表明，当具有较重原子的材料(例如TMD)的单层置于顶部时，石墨烯中的自旋 - 轨道耦合将增加，从而产生范德瓦尔斯异质结构。
在Nanronvices物理小组中，由格罗宁根大学的Bart van Wees教授领导，博士。学生Talieh Ghiasi和博士后研究员Alexey Kaverzin创造了这样一种异质结构。使用金电极，它们能够通过石墨烯发送纯净的充电电流并产生自旋电流，称为Rashba-Edelstein效应。这是由于与TMD单层的重原子(在这种情况下为二硫化钨)的相互作用而发生的。在石墨烯中首次观察到这种众所周知的效果，该石墨烯与其他2-D材料接近。
纳米器件的示意图，用于观察石墨烯和WS2的范德瓦尔异质结构中的电荷 - 自旋转换。紫色和红色箭头分别显示充电电流和产生的自旋累积。图片来源：Talieh Ghiasi等。
对称性
“充电电流在石墨烯中产生自旋电流，我们可以用自旋选择性铁磁钴电极测量，”Ghiasi说。这种电荷 - 自旋转换使得可以用石墨烯构建全电子自旋电路。以前，必须通过铁磁体注入自旋。“我们还表明，通过施加电场可以调节自旋累积产生的效率，”Ghiasi补充道。这意味着他们已经构建了一个自旋晶体管，其中可以打开和关闭自旋电流。
Rashba-Edelstein效应不是产生自旋电流的唯一效应。该研究表明，旋转霍尔效应的作用相同，但这些旋转的方向不同。“当我们施加磁场时，我们使自旋在场中旋转。两种效应在与磁场相互作用中产生的自旋信号的不同对称性有助于我们解开每个效应在一个系统中的贡献，”Ghiasi解释道。 。这也是第一次在同一系统中观察到两种类型的电荷 - 自旋转换机制。“这将有助于我们更深入地了解这些异质结构中自旋轨道耦合的本质。”
石墨烯旗舰
除了该研究可以提供的基本见解之外，构建全电动2-D自旋晶体管(不含铁磁体)对于自旋电子应用具有相当重要的意义，这也是欧盟石墨烯旗舰的目标。“这尤其正确，因为我们能够在室温下看到效果。自旋信号随温度升高而降低，但在环境条件下仍然存在。”