在室温下用石墨烯进行自旋过滤

美国海军研究实验室（NRL）的一个跨学科科学家团队报告了在室温下使用铁磁体——石墨烯磁铁薄膜结设备的金属自旋过滤的第一次演示（自旋是除电荷之外的电子的基本属性， 用于发送、处理和存储数据）。

“自旋过滤在理论上是预测的，以前只能在低温条件下的高电阻结构中看到。”NRL材料科学与技术部首席研究员Cobas博士说，“新的实验结果证实，在室温条件下工作，多个设备的阵列中具有非常低的电阻。”

自旋过滤石墨烯结的概念呈现：镍（显示为蓝色）和铁（显示为红色）的膜包含上下自旋的电子混合物。几层石墨烯（以灰色示出）位于金属层之间，以产生用于一个自旋电子的导电路径，同时阻挡另一个自旋。通过金属结（标记为“J”）驱动的电流变为自旋极化。

从低温到室温条件下，薄膜结显示出低电阻和自旋过滤器界面的磁阻特性。研究团队还开发了一种设备模型，通过处理具有自旋电流转换装置的少数自旋通道来合并预测中的自旋过滤，并且确定了石墨烯层中的自旋极化至少是80％。

Cobas说：“石墨烯以其非凡的平面属性而闻名，但我们希望了解堆叠的石墨烯片之间的导电性以及它们与其他材料的相互作用。”为此，NRL研究人员开发了一种方法来在光滑的结晶镍合金膜上直接生长出大的多层石墨烯膜，同时保留该膜的磁性，然后将膜图案化成交叉条结的阵列。“我们也想证明我们可以用标准的工业工具生产这些设备，而不只是制作一个设备，”Cobas补充说。

自旋过滤现象是由于石墨烯的量子力学性能与结晶镍膜的量子力学性能相互作用。当镍和石墨烯结构对准时，只有一个自旋的电子可以容易地从一种材料通过到另一种材料（自旋过滤效应），这就导致了电流的自旋极化。

 “还有改进的余地，因为理论上通过微调石墨烯层的数量可以达到增加一个数量级的效果。”NRL材料科学与技术部研究科学家Olaf van't Erve博士说，“然而，目前的模型不包括在铁磁接触内发生的自旋转换。一旦我们考虑到这些效应，我们已经接近石墨烯层100％自旋极化的理想情况，这会使我们能够改进我们的设备几何和材料，以实现效用的最大化。”

这个结果与下一代非易失性磁随机存取存储器（MRAM）相关，后者使用自旋极化脉冲将磁位从0翻转为1，反之亦然。它也可用于未来的自旋逻辑技术或磁传感器。