(Bilde: Chris Ewels)

Grafen kan gi lynraske spinndatamaskiner

Forskere gjør nye oppdagelser med nobelprisbelønnet materiale.

Årets nobelpris i fysikk ble gitt til Andre Geim og Konstantin Novoselov for oppdagelsen av det karbonbaserte materialet grafen. Men forskere gjør stadig nye oppdagelser med det spennende materialet.

I forrige uke meldte University of California, Riverside, at fysikere ved universitetet har gjort et viktig skritt i retning av å utvikle en spinndatamaskin ved å oppnå « tunneling spin injection» i grafen.

Et elektron kan ifølge universitetet polariseres til å ha en retningsbestemt orientering. Dette kalles for spinn. Spinnet kommer i to former, hvor elektronene sier å spinne enten opp eller ned. Disse spinntilstandene kan gjøre det mulig å lagre mer data enn det som er mulig med dagens elektronikk. I tillegg ventes det at informasjonen kan lagres og prosesseres raskere og ved bruk av mindre energi enn i konvensjonelle datamaskiner som brukes i dag.

Begrepet «tunneling spin injection» brukes for å beskrive ledningsevne gjennom en isolator.

Utfordringene

– Grafen har blant de beste spinntransportkarakteristikkene til noe materiale i romtemperatur, noe som gjør det til en lovende kandidat for bruk i spinndatamaskiner. Men elektrisk spinn-injeksjon fra en ferromagnetisk elektrode inn i grafen er ineffektivt. En enda større bekymring er de observerte spinnlevetidene er tusen ganger kortere enn teoretisk forventet. Vi ønsker lenger spinnlevetider fordi jo lenger levetid, desto flere regneoperasjoner kan du utføre, sier Roland Kawakami, førsteamanuensis i fysikk og astronomi ved Riversite-universitetet og leder for forskningsgruppen.

For å møte disse problemene injiserte forskerne et nanometer-tykt isolatorlag mellom den ferrromagnetiske elektroden og grafenlaget. Dette førte til 30 ganger så effektiv spinninjisering.

– Like interessant er det at isolatoren opererte som en enveisventil, noe som tillot elektroflyt i én retning, fra elektroden til grafenlaget, men ikke den andre, sier Kawakami, som legger til at denne effektivitetsgraden er nye rekord. Forskerne mener i tillegg at målemetoden som har blitt brukt ved tidligere forsøk, Hanle-målet, kraftig undervurderer spinnlevetiden, men anser dette som gode nyheter.

Atomtykke isolasjonsbarrierer fører til en kraftig økning i spinninjiseringen inn i grafen. Den øverste tegningen viser elektronflyten uten når ingen isolator brukes, mens den nederste tegningen viser elektronflyten når det benyttes isolatorer av magnesiumoksid.
Atomtykke isolasjonsbarrierer fører til en kraftig økning i spinninjiseringen inn i grafen. Den øverste tegningen viser elektronflyten uten når ingen isolator brukes, mens den nederste tegningen viser elektronflyten når det benyttes isolatorer av magnesiumoksid. Bilde: Kawakami lab, UC Riverside

Typisk målt spinnlevetid har vært omkring 100 picosekunder, men Kawakami mener at grafen i teorien har potensial for ekstremt lange spinnlevetider.

– Denne levetiden kan være flere mikrosekunder lang. Et lang levetid er en spesiell egenskap ved grafen, noe som gjør det til et veldig attraktivt materiale for en spinndatamaskin, sier Kawakami.

Neste skritt i forskningen skal være å demonstrere en fungerende enhet basert på spinnlogikk.

Frekvensmultiplikator med én transistor

Også Rice University i Houston, Texas, har hatt et gjennombrudd i sin elektronikkrelaterte grafenforskning. Forskerne har laget forsterkere basert på én eneste tripplemodus grafentransistor.

Grafen leder strøm svært godt, men en annen nøkkelegenskap er ambipolariteten, materialets evne til rask å skifte mellom bruken av positive og negative bærere (p-type eller n-type), avhengig av inngangssignalet. Tradisjonelle transistorer bruker tradisjonelt bare én type bærer, noe som bestemmes under produksjonen.

Kartik Mohanram, førsteamanuensis ved Rice University, sammenligner den nye transistorens evner med evnene til en vannkran.

– Skru den på og vannet flyter. Skru den av og vannet stopper. Det er det en tradisjonell transistor gjør. Det er en unipolar enhet – den bare åpner og lukker i én retning, sier Mohanram.

– Men hvis du lukker en kran for mye, åpnes den igjen og vannet flyter. Det er hva en ambipolaritet er – strøm kan flyte når du åpner transistoren i begge retninger omkring et punkt som leder minimalt.

– En forsterker med én eneste tre-terminals transistor laget av grafen, kan når som helst under drift endres til enhver av tre modi ved å bruke bærere som er positive, negative eller begge. Den tilbyr muligheter som ikke er mulige med tradisjonelle arkitekturer basert på én transistor, sier Mohanram. Forskningen har skjedd i samarbeid med blant annet professor Alexander Balandin ved det tidligere nevnte Riverside-universitetet.

Forsterker basert på en ambipolar transistor laget av grafen.
Forsterker basert på en ambipolar transistor laget av grafen. Bilde: Rice University

Resultatet er at en grafentransistor både kan være positiv eller negativ, avhengig av om bæreren stammer fram drain- eller source-terminalen. En tredje funksjon oppstår når innsignalet fra begge bærerne er like. Da blir transistoren en frekvensmultiplikator.

Ved å kombinere de tre modiene har forskerne demonstrert vanlige signaleringssystemer som fase- og frekvensskiftnøkling for trådløse bruksområder og bruksområder knyttet til lyd.

– Forskningen viser at én enkelt grafentransistor potensielt kan erstatte mange typiske integrerte kretser, mener Mohanram.

– Grafens overlegne materialegenskaper og dets relative kompatibilitet med silisiumbasert produksjon bør åpne for integrasjon av slike kretser i framtiden, legger han til.

Teknologien for produksjon av grafen og grafenbaserte komponenter er fortsatt svært umoden, men Mohanram mener at utfordringene vil bli løst fordi så mange forskningsgrupper jobber hardt for å møte disse utfordringene.

Til toppen