Grafén har gode egenskaper til å transportere spinn over «lengre» avstander. (Bilde: M Venkata Kamalakar et al, Nature Communications (CC BY 3.0))

Grafén

– Åpner døren for spinnbaserte datamaskiner

Har oppdaget ny, unik egenskap ved materialet grafén.

Karbonmaterialet grafén har en mengde flotte egenskaper som forskere tror kan utnyttes i svært mange ulike typer produkter. Elektronikk og komponenter for datamaskiner har også blitt nevnt i denne sammenheng siden grafén kan lede strøm svært godt. Men en egenskap som ikke er like positiv, er fraværet av båndgap, en egenskap som vanligvis er nødvendig for at et materiale skal kunne fungere som en halvleder. Derfor har det blitt stilt spørsmål om grafén kan være uegnet til å erstatte silisium i prosessorer eller minnebrikker. Forskere forsøker å løse dette ved å dope grafén med andre materialer. Noe endelig svar har man ennå ikke kommet fram til.

Problem: – Dagens grafen kan ikke brukes i CPU-er

 

Spinntronikk

Men det er ikke slik at alle miljøene som forsker på grafén er låst til en slik tradisjonell tilnærming til databrikker. Forskere ved Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg har i stedet forsøkt seg på et området hvor båndgapet ikke har noen betydning, nemlig innen feltet som kalles for spinntronikk.

– Grafén er en god leder og har ingen båndgap. Men innen spinntronikk er det ikke behov for båndgap for å veksle mellom på og av, én eller null. Dette kontrolleres i stedet av om spinnorienteringen til elektronet er opp eller ned, forteller Saroj Dash, dosent i kvantekomponentfysikk ved Chalmers, i en pressemelding. Forskere mener at spinntronikk kan bidra til å gjøre datamaskinkomponenter som prosessorer og minne betydelig raskere og mer energieffektive enn det som er mulig med tradisjonell elektronikk.

Reportasje: Fantastiske muligheter i grafén

Spinn er en kvantemekanisk egenskap til elementærpartiklene, og dette kan rettet enten opp eller ned. I vanlig, elektrisk strøm er dette spinnet vilkårlig distribuert, men spinnet til elektroner som sendes inn i en leder kan polariseres ved hjelp av magneter. Dette kan brukes til å representere dataverdier. Problemet er at spinnet vanligvis er en veldig flyktig tilstand. Dermed egnet spinn seg dårlig til å frakte bitverdier over lengre avstander. Men allerede brukes spinntronikk i en del harddisker og magnetisk minne (MRAM), hvor den spinnbaserte informasjonen ikke behøver å flyttes mer enn noen nanometer om gangen.

Forskere ved Nanotekniklaboratoriet til Chalmers.
Chalmers-forskerne har utviklet spinntronikk-komponenten ved den svenske høyskolens nanoteknikklaboratorium. Fra venstre sees Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta og André Dankert. Bilde: Oscar Mattsson (CC BY 3.0)
 

Fra nano til mikro

Det forskerne ved Chalmers har oppdaget, er at spinnegenskapene til elektroner i grafénbaserte kanaler opprettholdes over avstander som er på opptil 16 mikrometer lange og over tidsperioder på mer enn et nanosekund. Dette høres kanskje ikke så mye ut, men det er langt mer enn de få nanometerne som til nå har vært mulig.

– I framtidige, spinnbaserte komponenter er det ventet at elektroner vil måtte kunne reise flere titalls mikrometer med sine spinnretninger intakte. Metaller, slik som aluminium eller kobber, har ikke evner til å håndtere dette. Grafén ser for tiden ut til å være det eneste mulige materialet, sier Dash, som leder prosjektet med Chalmers.

Mulig løsning: Grafén likevel egnet for CPU-er? 

Ifølge forskerne er årsaken til at spinnet bevares bedre i grafén enn i andre materialer, at karbon er et såpass lett materiale hvor de seks protonene danner en symetrisk struktur som skaper lite magnetisk interferens som kan påvirke spinnet til elektronene. Men også det interne spinnet i en atomkjerne er en potensiell kilde til interferens. Når det gjelder karbon anses nettospinnet som neglisjerbart fordi nesten alle karbonatomer er av isotopen C-12, hvor det er like mange nøytroner som protoner.

Grafénen som forskerne har studert, er lagd med en kjemisk prosess kalt «Chemical vapor deposition» (CVD), som gir materialet mange defekter, men som kan være egnet for produksjon av grafén i industriell skala.

Spinntransport i CVD-basert grafén.
Skjematisk illustrasjon av spinntransport i CVD-grafén på Si/SiO2-substrat, med ferromagnetiske kontakter (Co/TiO2) for spinn-injisering og -deteksjon. Bilde: M Venkata Kamalakar et al, Nature Communications (CC BY 3.0)
 

Helt nytt konsept

Det påpekes i pressemeldingen at det at forskerne nå fokuserer på hvor langt spinn-strøm kan overføres, ikke oppfattes som at dette bare handler om å sende informasjon inn i et nytt materiale, eller å erstatte metaller eller halvledere med grafén. Det virkelige målet er en helt ny metode for både logiske operasjoner og lagring av minne, et konsept forskerne mener at vil ta digital teknologi et skritt videre fra dagens avhengighet av halvledere, dersom det er vellykket.

Det understrekes samtidig at det er et åpent spørsmål om spinntronikk vil kunne erstatte halvlederteknologiene totalt. Men ved Chalmers, som leder EUs store prosjekt innen grafénforskning, er man sikre på at grafén vil være med i denne sammenhengen. Uansett gjenstår det mye forskning.

Flere detaljer om denne forskningen er publisert i en artikkel i journalen Nature Communications.

Les også: Norske fysikere vil gjøre pc-oppstarten lynrask

Til toppen