Kang L. Wang Research Group Afbeelding van een laag grafeen (zeshoekige tegels) over een dunne film van chroomselenide. Beide bevinden zich boven een substraat van galliumarsenide.

UCLA-ingenieurs en collega's hebben een meer praktische manier aangetoond om grafeen te magnetiseren - een atoomdunne koolstof die bekend staat om zijn opmerkelijke warmte- en elektriciteitsgeleidende eigenschappen - door een dunne film van de chemische verbinding chroomselenide toe te voegen. Volgens de studie gepubliceerd in Nature Electronics, zou het nieuw gemagnetiseerde materiaal, dat ongeveer 30 nanometer dik (driehonderdduizendste van een millimeter) is, kunnen worden opgenomen in computergeheugen en processors die spintronica gebruiken in plaats van elektronica.

De studie werd geleid door Yingying Wu, een doctoraalstudent elektrotechniek en computertechniek aan de UCLA Samueli School of Engineering en Kang Wang, de Raytheon-hoogleraar Electrical Engineering. Auteur Gen Yin, een assistent-professor natuurkunde aan de Georgetown University, die ten tijde van het onderzoek projectwetenschapper was bij het Device Research Lab van de UCLA.

Spintronica gebruikt de spin- en baaneigenschappen van een elektron in plaats van de lading (zoals in het geval van elektronica) om informatie en energie te vervoeren. Computers met geheugen en processors op basis van spintronica zouden veel minder stroom kunnen verbruiken, minimale warmte afgeven en veel hogere snelheden bieden.

Grafeen, met zijn uitstekende geleidende eigenschappen waardoor de spin van een elektron gemakkelijk kan bewegen, is een materiaal dat zou kunnen worden gebruikt in spintronica.

De op-en-neer-spins kunnen stukjes informatie opslaan en overbrengen, net zoals "nullen" en "enen". Grafeen maakt ongehinderde elektronenspins mogelijk, wat zich vertaalt in hogere computersnelheden.

Een van de uitdagingen van het gebruik van grafeen is echter dat het magnetisch neutraal is, wat betekent dat de richting van de elektronenspins willekeurig is en niet kan worden gecontroleerd. Eerdere pogingen van anderen hebben magnetisatie bereikt, met behulp van een extern magnetisch veld of het verbinden van grafeen met een sterke magneet. Maar dit kan leiden tot andere problemen, zoals interferentie.

Het door de UCLA geleide onderzoek bereikte magnetisatie met meer nauwkeurige controle door een dunne film van chroomselenide onder een grafeenlaag te plaatsen. Chroomselenide is een "antiferromagneet" - een materiaal dat een totale magnetisatie van netto nul heeft, maar atoom voor atoom kan worden gemagnetiseerd. Atomair kleine magnetisatievlekken die optreden op het grensvlak tussen grafeen en chroomselenide in de dunne film hebben een groot magnetisch effect op het grafeen.

Op basis van de meting van de kwantumstroom die in dergelijk materiaal loopt, bevestigden de UCLA-onderzoekers dat de spin-splitsende energie die in grafeen wordt geïnduceerd, een zeer hoog niveau van magnetisatie introduceert in een materiaal dat niet van nature magnetisch is. Dit maakt van grafeen een uitstekende generator van pure spinstroom zonder warmte, wat het energieverbruik aanzienlijk vermindert.

De andere auteurs op het papier zijn Lei Pan, Quanjun Pan en Albert Lee van UCLA; Alexander Grutter, Dustin Gilbert, Julie Borchers en William Ratclliff II bij het NIST Center for Nanoscale Science and Technology in Gaithersburg, Maryland; en Ang Li en Xiao-dong Han aan de Beijing University of Technology.

Wang heeft ook UCLA faculteitsbenoemingen in materiaalwetenschap en techniek, en natuurkunde en astronomie.

Het onderzoek werd ondersteund door een Multidisciplinair Universitair Onderzoeksinitiatief (MURI) gesponsord door het Army Research Office en het Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems Center (SHINES) - een Energy Frontier Research Center (EFRC) gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en met hoofdkantoor bij UC Riverside. Extra steun werd verleend door de National Science Foundation. Naast onderzoek uitgevoerd aan de UCLA, werd een deel van de studie uitgevoerd in het NIST Center for Nanoscale Science and Technology in Gaithersburg, Maryland.