Les physiciens de KAIST ont décrit une voie pour concevoir la génération à haut rendement énergétique, manipulation et détection de courants de spin à l'aide de matériaux bidimensionnels non magnétiques. L'équipe de recherche, dirigé par le professeur Sungjae Cho, ont observé une interconversion charge-spin hautement efficace via l'effet Rashba-Edelstein (REE) accordable par grille dans des hétérostructures de graphène.

Cette recherche ouvre la voie à l'application du graphène en tant que composant spintronique actif pour générer, contrôler, et détecter le courant de spin sans électrodes ferromagnétiques ni champs magnétiques.

Le graphène est un composant spintronique prometteur en raison de sa grande longueur de diffusion de spin. Cependant, son petit couplage spin-orbite limite le potentiel du graphène dans les applications spintroniques puisque le graphène ne peut pas être utilisé pour générer, contrôler, ou détecter le courant de spin.

"Nous avons réussi à augmenter le couplage spin-orbite du graphène en empilant du graphène sur du 2H-TaS 2 , qui est l'un des matériaux de dichalcogénure de métal de transition avec le plus grand couplage spin-orbite. Le graphène peut maintenant être utilisé pour générer, contrôler, et détecter le courant de spin, " dit le professeur Cho.

L'effet Rashba-Edelstein est un mécanisme physique qui permet l'interconversion courant de charge-courant de spin par une structure de bande dépendante du spin induite par l'effet Rashba, un dédoublement dépendant de la quantité de mouvement des bandes de spin dans les systèmes de matière condensée de faible dimension.

Le groupe du professeur Cho a démontré pour la première fois l'effet Rashba-Edelstein accordable par porte dans un graphène multicouche. L'effet Rahsba-Edelstein permet aux électrons de conduction bidimensionnels du graphène d'être magnétisés par un courant de charge appliqué et de former un courant de spin. Par ailleurs, comme le niveau de Fermi de graphène, accordé par tension de grille, passe de la bande de valence à la bande de conduction, le courant de spin généré par le graphène a inversé sa direction de spin.

Cette inversion de spin est utile dans la conception de transistors à faible consommation d'énergie utilisant des spins en ce sens qu'elle fournit l'état « on » du porteur avec des trous de rotation (ou des électrons de rotation vers le bas) et l'état « arrêt » avec une polarisation de spin nette nulle à donc appelé "point de neutralité de charge" où le nombre d'électrons et de trous est égal.

"Notre travail est la première démonstration de l'interconversion charge-spin dans une hétérostructure métallique TMD (dichalcogénure de métal de transition) et de graphène avec un état de polarisation de spin contrôlé par une grille. Nous nous attendons à ce que l'effet de commutation de spin tout électrique et le l'inversion de la polarisation de spin hors d'équilibre par l'application d'une tension de grille est applicable à la génération et à la manipulation écoénergétiques de courants de spin à l'aide de matériaux van der Waals non magnétiques, " expliqua le professeur Cho.