双层石墨烯有助于控制自旋电流

为了使晶体管使用电子自旋而不是电荷自旋工作，有必要找到一种开关自旋电流的方法。此外，自旋的寿命至少应等于这些电子通过电路所花费的时间。格罗宁根大学的科学家们现在已经迈出了重要的一步，它基于在二硫化钨层上的石墨烯双层结构，创造了一种满足这两个要求的设备。他们的结果已于10月16日发表在《物理评论B》杂志上。

石墨烯是碳的二维形式，是电子自旋的极佳导体。但是，很难控制这种材料中的自旋电流。自旋是电子的量子力学性质，使它们的行为像微小的磁体。由Bart van Wees教授领导的格罗宁根大学纳米器件物理学小组正在研究这一问题。他们先前已经表明，如果将石墨烯放在二硫化钨(另一种2-D材料)层的顶部，则可以控制自旋电流。

新技术

Van Wees小组的博士后Siddhartha Omar解释说：“但是，这种方法缩短了自旋的寿命。” 钨是一种金属，其原子会影响穿过石墨烯的电子，从而耗散自旋电流。基于以下理论，使奥马尔在二硫化钨上使用石墨烯的双层结构：通过上层的电子应“感觉不到”金属原子的影响。

Omar还使用了另一种新技术，其中两种不同类型的自旋电流通过石墨烯。自旋是具有给定方向的磁矩。在普通材料中，自旋不对齐。但是，自旋电流的磁矩(如磁体的磁矩)具有优先的对齐方式。相对于电子通过的材料，其自旋可以具有面内取向或面外取向。

多层设备。WS 2：二硫化钨，hBN：氮化硼层。图片来源：Siddhartha Omar摄影/格罗宁根大学

能级

“我们发现，当电子通过外部石墨烯层时，面内自旋很快消散，仅皮秒级。但是，面外自旋的寿命大约长一百倍。” 这意味着，即使在存在二硫化钨的情况下，自旋电流的一个分量(具有平面外取向的自旋)也可以传播足够远的距离，以用于晶体管等器件。

奥马尔观察到的自旋电流的能级使它们穿过石墨烯的上层。可以通过施加电场，将自旋电流推入下层来提高能量水平。奥马尔解释说：“在那儿，自旋会感觉到金属原子的全部作用，自旋电流会很快消散。” 使用电场关闭自旋电流的这种能力很重要，因为它可以基于该技术用于“门控”晶体管。

奥马尔说：“不幸的是，我们在这些设备上制造的基板的某些技术限制使我们无法产生足够强的电场来产生这种门控效果。” “但是，我们已经表明，有可能使自旋电流流过由石墨烯和二硫化钨制成的异质结构。这是朝着创建自旋晶体管迈出的重要一步。”