Монослой углерода – графен – интенсивно исследуется в наши дни. Рассматриваются его возможные применения и в области спинтроники. Для этого важно знать скорость релаксации спиновых состояний и длину, на которой происходит эта релаксация.

Для измерения длины диффузии спина в графене нидерландские ученые провели довольно изящный эксперимент [Nature, 448, 571, 2007]. Вид структуры сверху представлен на рис. 1а, а поперечный разрез – на рис. 1b.

Рис. 1. Вид структуры сверху (1a), разрез структуры (1b) и пространственное распределение концентрации спинов (1c, 1d)

На рисунках 1c и 1d иллюстрируются два варианта измерений. Стрелками указано направление намагниченности металлических контактов (Co). Красная линия изображает превышение концентрации <спинов вверх> над равновесным значением, а зеленая – <спинов вниз>.

Общая концентрация электронов везде одинакова, поэтому зеленый и красный графики симметричны относительно горизонтальной оси, изображающей координаты в плоскости графена. Между электродами 3 и 4 прикладывается напряжение, которое вызывает инжекцию спин-поляризованного тока в графен из одного намагниченного контакта через туннельно-тонкий слой оксида алюминия и выход через другой контакт. Далее происходит диффузия спин-поляри-зованных электронов, попавших в графен.

Они растекаются во все стороны, но при этом происходит и релаксация спинов. Между контактами 1 и 2 возникает электрическое напряжение в результате того, что концентрация спинов под ними разная. Сами контакты служат спиновыми вентилями (spin valve), т.е. пропускают электроны преимущественно определенной спиновой поляризации, что определяется намагниченностью контактов.

Размещая этот детектор спина на разных расстояниях, можно измерить длину релаксации спина в графене. Она оказалась равной 1.5–2 мкм при комнатной температуре. Интересным обстоятельством является то, что сигнал остается практически неизменным при разных температурах: 4К, 77К и комнатной. По-видимому, это обусловлено тем, что при повышении температуры усиливается диффузия, но также усиливается и скорость релаксации спина.

Автор: В.Вьюрков