Ученые создали электрический переключатель спиновых токов в графене

Характеристики транспортировки спинов в гетероструктуре графен/In₂Se₃, демонстрирующие переключение спиновой хиральности. Авторы: Мартин Гмитра из Словацкой академии наук и Марцин Курпас из Силезского университета в Катовице.

Европейская исследовательская группа под руководством физиков из Словацкой академии наук разработала теоретический подход для управления спиновыми токами в графене с помощью ферроэлектрического переключения. Ученые показали, что изменение поляризации ферроэлектрического материала In₂Se₃ может обращать направление спинового тока в графене, создавая электрический спиновый переключатель.

Это открытие предлагает новый путь к созданию энергоэффективных, энергонезависимых и безмагнитных спинтронных устройств, что является ключевым шагом к разработке логических и запоминающих систем следующего поколения.

Перспективы спинтроники и графена

Спинтроника, использующая собственный угловой момент электронов (спин) для передачи и обработки информации, обещает многократное снижение энергопотребления и тепловыделения по сравнению с традиционной электроникой.

Графен с его высокой электронной подвижностью является перспективным материалом для спинтроники, но слабая спин-орбитальная связь ограничивает прямое управление спинами. Для решения этой проблемы исследователи создали ван-дер-ваальсовы гетероструктуры, комбинируя графен с другими двумерными материалами.

Ферроэлектрическое управление

В новой работе ученые предложили гетероструктуру графен/In₂Se₃, где ферроэлектрическая поляризация In₂Se₃ модулирует спин-орбитальную связь в графене. Расчеты показали, что изменение направления поляризации In₂Se₃ обращает знак эффекта Рашбы-Эдельштейна, переключая хиральность спиновых текстур и направление спинового тока.

Этот механизм работает без магнитных полей и с минимальным энергопотреблением после установки поляризации.

Ключевые результаты

Исследователи изучили две конфигурации гетероструктур: идеально выровненную и скрученную на 17,5°. В обоих случаях переворот ферроэлектрической поляризации менял направление спинового тока, действуя как «переключатель хиральности».

При нулевом скручивании система демонстрирует обычный эффект Рашбы-Эдельштейна, а при скручивании 17,5° возникает необычный эффект, где спиновый ток становится почти коллинеарным с зарядным потоком.

Результаты обеспечивают теоретическую основу для создания графеновых спиновых транзисторов, управляемых ферроэлектрическим переключением. Следующим шагом станет экспериментальная проверка предложенной концепции.

Дополнительная информация: Марко Миливоевич и др., Ferroelectric switching control of spin current in graphene proximitized by In₂Se₃, Materials Futures (2025). DOI: 10.1088/2752-5724/ae18ea