La microscopie à effet tunnel montre la topographie du graphène sur l'or avec des battements périodiques dix fois plus grands que la périodicité des atomes de carbone. Ces coups sont des motifs moirés, émergent en raison des différentes structures atomiques du graphène et de la monocouche sous-jacente d'atomes d'or. La structure du moiré influence les interactions chimiques entre l'or et la couche de graphène ainsi que les propriétés électroniques et le comportement de spin dans le graphène. Crédit :HZB/Andrei Varykhalov
Depuis que le graphène a été isolé pour la première fois il y a quelques années, ce réseau quasi bidimensionnel constitué d'une seule couche d'atomes de carbone a été considéré comme le matériau magique. Non seulement le graphène est mécaniquement très résistant, il fournit également une base intéressante pour de nouveaux composants spintroniques qui exploitent le moment magnétique des électrons de conduction.
Maintenant, Dr Andrei Varykhalov du Helmholtz Center Berlin, Le professeur Oliver Rader et son équipe de physiciens ont fait le premier pas vers la construction de composants à base de graphène, en collaboration avec des physiciens de Saint-Pétersbourg (Russie), Jülich (Allemagne) et Harvard (États-Unis). D'après leur rapport du 27 novembre 2012 dans Communication Nature , ils ont réussi à augmenter le couplage spin-orbite des électrons de conduction de graphène d'un facteur 10, 000 - assez pour leur permettre de construire un interrupteur qui peut être contrôlé via de petits champs électriques.
La couche de graphène repose sur un substrat de nickel dont les atomes sont séparés par la même distance que les mailles hexagonales du graphène. Prochain, les physiciens ont déposé des atomes d'or sur leur échantillon qui ont fini par se loger entre le graphène et le nickel.
L'utilisation de différents spectromètres photoélectroniques dans l'installation de rayonnement synchrotron BESSY II de HZB a permis aux chercheurs de mesurer les changements dans les propriétés électroniques du graphène. Tout comme la terre, les électrons ont deux moments cinétiques :un moment angulaire orbital, ce qui leur permet de faire le tour du noyau atomique; et un spin correspondant à une rotation autour de leurs propres axes. Un fort couplage spin-orbite signifie donc une grande différence énergétique selon que les deux rotations sont dirigées dans le même sens ou dans des sens opposés. Dans le cas de noyaux plus légers (comme c'est le cas pour les atomes de carbone), l'interaction spin-orbite est plutôt faible, alors que dans le cas d'atomes plus lourds comme l'or, il est assez fort. "Nous pourrions montrer que, étant donné leur proximité avec la couche de graphène, les atomes d'or ont également pu multiplier par 10 ce jeu dans la couche de graphène, 000, " explique Dmitry Marchenko qui a pris les mesures dans le cadre de sa thèse de doctorat.
Selon Varykhalov, ce très fort couplage spin-orbite permettrait aux chercheurs de construire une sorte de commutateur, car les spins pourraient désormais être tournés à l'aide d'un champ électrique. Deux filtres de spin - un devant et un derrière le composant - ne toléreraient chacun que des spins unidirectionnels. Si les filtres spin étaient perpendiculaires les uns aux autres, aucun spin ne pourrait plus passer et l'interrupteur serait effectivement éteint. Un champ électrique, cependant, ferait tourner les tours de telle manière qu'il serait capable de - partiellement ou complètement - tourner l'interrupteur.
"Nous avons pu documenter que seuls les électrons dans les orbitales 5d des atomes d'or augmentent l'interaction de l'orbite de spin du graphène. Cela est conforme à nos modèles théoriques, " explique Varykhalov. Néanmoins, les physiciens du HZB ont déjà leur prochain défi à relever :un composant à base de graphène qui repose sur une surface non conductrice au lieu de nickel, un métal. Sans surprise, ils ont déjà commencé à y travailler.
