Forskare vid Chalmers meddelar att de har upptäckt att grafen kan bevara elektroners så kallade spinn betydligt längre tid och förmedla det över större avstånd än vad som hittills varit känt. Detta ska öppna dörren för utvecklingen av spinntronik, med sikte på snabbare och energisnålare processorer i datorer.

Forskarna har tillverkat spinntronik-komponenten i Nanotekniklaboratoriet på Chalmers tekniska högskola. Från vänster: Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta och André Dankert. Licens: Creative Commons
Foto: Oscar Mattsson

– Vi tror att de här resultaten kommer att väcka stor uppmärksamhet i forskarvärlden och sätta grafen på kartan för tillämpningar inom spinntroniska komponenter, säger Saroj Dash, som leder forskargruppen på Chalmers.

Spinntronik bygger på elektronernas kvanttillstånd och tekniken används redan idag i avancerade hårddiskar för datalagring. Men där behöver den spinnbaserade informationen bara förflytta sig några få nanometer, vilket är tur eftersom samordnat spinn är en egenskap hos elektroner som i de flesta material är extremt kortlivad och ömtålig.

Det finns dock stora fördelar med att utnyttja spinn som informationsbärare. I stället för eller som komplement till elektrisk laddning skulle spinntronik bland annat kunna göra processorer betydligt snabbare och mindre energikrävande än vad de är idag.

Grafen är en lovande kandidat för att vidga användningen av spinntronik inom elektronikindustrin. Det tunna kolnätet är nämligen inte bara en utmärkt elektrisk ledare, utan har även teoretiskt en sällsynt förmåga att släppa fram elektroner med spinnet i behåll.

– I framtida spinnbaserade komponenter räknar man med att elektronerna måste kunna föra med sig sitt spinn flera tiotals mikrometer. Metaller, som aluminium eller koppar, har inga förutsättningar att klara detta. Grafen framstår som det enda möjliga materialet, säger Saroj Dash.

I dag tillverkas grafen kommersiellt av ett fåtal företag enligt några olika metoder, som alla befinner sig i en tidig utvecklingsfas. Förenklat kan man säga att grafen av hög kvalitet bara kan fås fram i mycket små bitar, medan större grafenstycken tillverkas på ett sätt som antingen ger för låg kvalitet eller har andra nackdelar ur elektronikindustrins synvinkel, skriver forskarna.

Men den sanningen uppges nu ställas på ända genom de resultat som presenteras av forskargruppen på Chalmers. De har nämligen genomfört sina experiment på så kallat CVD-grafen, som tillverkas genom kemisk ångdeponering. Metoden ger grafen med en hel del rynkor, ojämnheter och andra defekter. Men den har även fördelar: Det finns goda utsikter för produktion av stora grafenstycken i industriell skala. Grafenet kan också enkelt tas loss från den kopparfolie där det byggs upp och lyftas över på en kiselplatta.

Trots att materialkvaliteten alltså är långt ifrån perfekt kan forskargruppen nu visa på parametrar för spinn som är upp till sex gånger högre än vad som tidigare rapporterats för någon form av grafen på liknande underlag.

– Våra mätningar visar att spinnsignalen går fram i grafenkanaler som är upp till 16 mikrometer långa. Varaktigheten för det samordnade spinnet har uppmätts till över en nanosekund, säger chalmersforskaren Venkata Kamalakar som är artikelns försteförfattare och tillägger;.

– Detta är lovande eftersom det talar för att spinnparametrarna kan förbättras ytterligare i takt med att tillverkningsmetoden utvecklas.

Att forskarna fokuserar på hur långt spinnströmmen kan förmedlas ska inte tolkas som att det bara handlar om att skicka information i ett nytt material – alltså att ersätta metaller eller halvledare med grafen. Deras mål är enligt Chalmers istället ett helt nytt sätt att utföra logiska operationer och lagra information. Ett koncept som, om det lyckas, skulle ta den digitala tekniken ett steg bortom dagens beroende av halvledare.

– För att ställa om mellan på och av, etta och nolla. Det styrs i stället med hjälp av elektronströmmens upp- eller nerspinn, säger Saroj Dash.

På kort sikt är målet nu att konstruera en logisk komponent – inte olik en transistor – uppbyggd av grafen och magnetiskt material.

Huruvida spinntroniken på sikt helt och hållet kan ersätta halvledartekniken är en öppen fråga – mycket forskning återstår. Men att grafen, med sina dubbla ledningsförmågor, kommer att finnas med i sammanhanget är högst sannolikt, enligt ett pressmeddelande.

Resultaten publiceras nu i tidskriften Nature Communications.

Filed under: SvenskTeknik