Sinds grafeen een aantal jaren geleden voor het eerst werd geïsoleerd, geldt dit quasi twee dimensionale netwerk van een enkele laag koolstofatomen als wonderenmateriaal. Het is niet alleen mechanisch enorm belastbaar, maar ook interessant als basis voor nieuwe opto-elektronische componenten, die gebruik maken van de magnetische momenten van de geleidingselektronen.
Een groep natuurkundigen van het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie heeft nu een eerste stap gezet op de weg naar grafeen componenten. Ze werken daarbij samen met collega’s uit St. Petersburg, Jülich en Harvard.
Het is de onderzoekers gelukt om de zogenaamde spin-baan-koppeling van de geleidingselektronen in het grafeen met een factor 10.000 te verhogen. Dat is voldoende om een schakelaar te realiseren, die met de kleinste elektrische velden kan worden gestuurd.
Grafeen op substraat
De grafeenlaag bevond zich daarvoor op een substraat van nikkel, waarvan atomen onder elkaar bijna dezelfde afstand hebben als die van de zeshoekige mazen van het grafeen netwerk. Vervolgens dampten de fysici op deze probe goudatomen, die tussen het grafeen en nikkel kropen.
Met behulp van een elektronenversneller konden ze met verschillende spectroscopische methoden meten, hoe daardoor het elektronische eigenschappen in het grafeen veranderden.De foto toont, middels een opname met een rastertunnelmicroscoop, de topografie van grafeen op goud. (bron: HZB/Andrei Varykhalov)
Door het opbrengen van de goudstructuur en de zeshoekige honingraatvorm van het grafeen ontstaat een regelmatige oppervlaktestructuur, die tien keer groter is dan de mazen in het grafeen netwerk. Deze structuur beïnvloedt de chemische wisselwerking tussen de beide atomaire lagen en de elektronische eigenschappen en het gedrag van de spins.
Spin en rotatie
Net als de aarde beschikken elektronen over twee roterende impulsen: de baanrotatie (waarmee ze om de atoomkern draaien) en de spin (die zorgt voor de eigen rotatie). Een sterke spin-baan-koppeling betekent een groot verschil in energieniveau als de beide rotatierichtingen gelijk dan wel tegengesteld gericht zijn.
Nu is bij lichte kernen zoals in koolstofatomen de wisselwerking tussen spin en baan nog erg zwak. Bij zware atomen zoals de goudatomen is deze echter zeer sterk. De onderzoekers konden aantonen, dat de goudatomen over hun afstand tot de grafeen laag deze wisselwerking ook in de grafeen laag met de factor 10.000 verhogen.
Deze sterke spin-baan-koppeling zou het mogelijk kunnen maken om een soort schakelaar te bouwen, omdat een elektrisch veld de spins zou kunnen draaien. Twee spinfilters voor en na de component zouden telkens alleen spins in één richting kunnen doorlaten.
Als de spinfilters loodrecht op elkaar staan, zou er geen spin meer door kunnen en is de schakelaar gesloten. Een elektrisch veld zou de spins kunnen draaien, zodat het de schakelaar gedeeltelijk of zelfs geheel zou kunnen opendraaien. De onderzoekers konden zelfs aantonen dat elektronen in de 5d-orbitalen van de goudatomen de spin-baan-wisselwerking in het grafeen verhogen. Dat komt overeen met de theoretische modellen.
Uitdaging
Maar de volgende uitdaging wacht alweer. Een component op basis van grafeen zou eigenlijk op een niet-geleidende onderlaag moeten zitten en niet op een metaal als nikkel. Daar wordt nu aan gewerkt.
