Как показала последняя работа ученых из Канады, жизнь спиновых состояний в графене ограничена магнитными дефектами. К подобным выводам они пришли в ходе измерения сопротивления и проводимости углеродного материала при сверхнизких температурах в присутствии магнитного поля. Как считают сами исследователи, результаты проведенных экспериментов в будущем могли бы помочь в разработке более совершенных спинтронных устройств на основе графена.

Такое научное направление, как спинтроника, основано на использовании при решении практических задач спина электрона, а также его заряда. Как известно, спин электрона может быть направлен, условно говоря, вверх или вниз, соответственно, это свойство может использоваться, в том числе, для хранения и обработки бинарной информации в спинтронных цепях.

По сравнению с классической электроникой (полагающейся на изменение самого заряда), подобные схемы могли бы быть меньше и эффективнее, поскольку переключение спина можно осуществить при помощи сравнительно небольших энергозатрат.

Графен представляет собой углеродную пластину с двумерной гексагональной кристаллической решеткой, толщина которой составляет всего один атом.

В принципе, графен может использоваться для передачи спина электрона, соответственно, он идеально подходит для изготовления спинтронных устройств.

Такая возможность существует благодаря тому, что в теории спин электрона может сохранять свое направление в этом материале достаточно долго из-за низкого атомного номера углерода (и, следовательно, слабой спин-орбитальной связи). Кроме того, следует отметить, что основной изотоп углерода (¹²C) не имеет ядерного спина.

Однако на практике графен показал себя достаточно плохим проводником спина. В ранних практических экспериментах исследователи с удивлением обнаружили, что спин сохраняется в графене не более нескольких сотен пикосекунд (а не микро- или даже миллисекунд, как ожидалось из теоретических расчетов). Подобное время жизни наблюдается в обычных полупроводниках и металлах, т.е. графен, по сути, не имеет никаких преимуществ. Столь серьезное расхождение теоретических предсказаний и практических результатов до сих пор было одной из важнейших проблем в исследовании графена в ракурсе спинтроники.

Чтобы лучше понять это несоответствие, группа ученых из University of British Columbia (Канада) провела измерение квантовой интерференции в графене. По их мнению, подобные исследования – хороший способ изучения, как именно в материале взаимодействуют между собой электроны проводимости. Для первого исследования были выбраны сверхнизкие температуры. Кроме того, материал подвергался воздействию различных магнитных полей.

Примененный метод позволил обнаружить, что магнитные дефекты являются основной причиной спиновой декогерентности в углеродном материале. В исследуемом листе графена было больше магнитных дефектов, чем ожидалось в теории. Именно это ученые считают основной причиной расхождения теории и эксперимента. На магнитных дефектах спин-орбитальное взаимодействие может быть неожиданно сильным, что приводит к быстрой спиновой декогерентности.

Как считают сами ученые, полученные ими результаты чрезвычайно полезны, поскольку ведут к повышению полезности графена в качестве основного материала спинтроники. Работа показала, каким образом можно улучшить спиновый транспорт. Как предполагают ученые, подобный эффект может иметь химическая пассивация магнитных дефектов. В настоящее время научная группа занята поисками ответа на вопрос, как дефекты и спин-орбитальные взаимодействия варьируются в графене, полученном разными методами.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.