کشف اثر هم‌افزایی لایه‌های گرافن، کبالت و ایریدیم بر خواص اسپین-اوربیتال

اسپین‌تروینیک، به عنوان یک حوزه نوظهور در علم مواد، به بررسی و بهره‌برداری از خواص اسپینی الکترون‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی می‌پردازد. این رویکرد نوآورانه، نویدبخش توسعه دستگاه‌هایی با سرعت و بازده انرژی بالاتر نسبت به نسل کنونی نیمه‌رساناها است.

به گزارش دپارتمان اخبار علمی رسانه فناوری تکنا، یکی از مواد بسیار مورد توجه در حوزه اسپین‌تروینیک، گرافن است. ساختار دوبعدی و خواص الکترونیکی منحصربه‌فرد گرافن، آن را به یک بستر مناسب برای مطالعه و کنترل اسپین الکترون‌ها تبدیل کرده است. با این حال، برای بهبود عملکرد دستگاه‌های اسپین‌تروینیکی مبتنی بر گرافن، نیاز به تقویت برهم‌کنش‌های اسپینی در این ماده است. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که با ایجاد لایه‌های نازک از فلزات سنگین مانند ایریدیم بر روی گرافن، می‌توان برهم‌کنش اسپین-اوربیت را در این ماده تقویت کرد. این برهم‌کنش، به دلیل برهم‌کنش بین اسپین الکترون‌ها و حرکت مداری آن‌ها، نقش مهمی در کنترل اسپین الکترون‌ها ایفا می‌کند.

اما پژوهشگران یک گام فراتر نهاده‌اند و با قرار دادن لایه‌های نازک از کبالت بین گرافن و ایریدیم، به نتایج شگفت‌انگیزی دست یافته‌اند. این ترکیب لایه‌ها، منجر به تقویت قابل توجه برهم‌کنش‌های اسپینی در گرافن شده است. به عبارت دیگر، لایه‌های کبالت به عنوان واسطه‌ای عمل کرده و برهم‌کنش بین گرافن و ایریدیم را تقویت می‌کنند.

یکی از نتایج مهم این پژوهش، تشکیل بافت‌های اسپینی گردابی موسوم به اسکایرمیون‌ها در این ساختار چندلایه است. اسکایرمیون‌ها، ذرات شبه‌ذره‌ای هستند که از نظر پایداری و قابلیت کنترل، بسیار مورد توجه محققان در حوزه اسپین‌تروینیک قرار دارند. برای بررسی دقیق‌تر این پدیده، محققان از تکنیک طیف‌سنجی نشر فوتوالکترون با تفکیک اسپینی (SPIN-ARPES) استفاده کردند. نتایج این آزمایش‌ها نشان داد که برهم‌کنش بین گرافن و ایریدیم، از طریق لایه‌های کبالت تقویت شده است. همچنین، شبیه‌سازی‌های نظری نیز این نتایج را تأیید کردند.

یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که با مهندسی دقیق ساختارهای چندلایه مبتنی بر گرافن، می‌توان به خواص اسپینی دلخواه دست یافت. این دستاورد، گامی مهم در جهت توسعه نسل جدیدی از دستگاه‌های اسپین‌تروینیکی با کارایی بالا محسوب می‌شود. دستگاه‌هایی که بر اساس این اصل ساخته می‌شوند، می‌توانند در حوزه‌های مختلفی مانند محاسبات کوانتومی، ذخیره‌سازی داده‌ها و حسگرها کاربرد داشته باشند.