Najnovšie trendy v mikroelektronike výrazne ťažia z poznatkov fyzikálneho výskumu teoretickej fyziky a spinovej-elektroniky. Vďaka výsledkom výskumu sa darí zvyšovať rýchlosť, kapacitu a stabilitu ukladania dát na pamäťových médiách, čím sa zvyšuje výkon počítačov alebo smartfónov.
Výskumný tím v zložení: Dr. Klaus Zollner, prof. Jaroslav Fabian z Ústavu teoretickej fyziky Univerzity v Regensburgu, a RNDr. Martin Gmitra, PhD. z Ústavu fyzikálnych vied PF UPJŠ v Košiciach, navrhol a skúmal spintronickú súčiastku, ktorej fyzikálne vlastnosti sú kontrolované elektrickým poľom. Výsledky autori publikovali v prestížnom vedeckom časopise Physical Review Letters. Štúdia Zollner et al. (2020) prezentuje návrh a vlastnosti vrstevnatého sendvičového systému, tzv. ex-so-tic súčiastky, ktorá predstavuje prototyp pre tvorbu nových spintronických zariadení konštruovaných z dvojrozmerných materiálov.
Obr. 1 Atómový model reálnej štruktúry ex-so-tic(kej) súčiastky pre ab-initio výpočty a fyzikálny mechanizmus proximálnych efektov vedúcich k prepínaniu výmennej a spin-orbitálnej interakcie.
Zollner et al. (2020) vychádzali z predpokladu, že každý materiál je súborom atómov s istými fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré sú mu dané pri jeho zrode. Pomocou fyzikálnych interakcií možno ovplyvniť mnohé charakteristiky materiálov zmenou priestorového usporiadania atómov a výberom správneho typu atómov. Vedci často stoja pred výzvami motivovanými technologickými požiadavkami na vytvorenie takých fyzikálnych systémov, ktoré by raz boli magnetom a inokedy polovodičom podľa toho, ako je „otočený kontrolný prepínač“. V spomínanom prípade by ale muselo ísť o prepínač, ktorým by bolo možné zmeniť fundamentálnu symetriu systému – symetriu reverzie času, ktorá je narušená v magnete, ale ostáva zachovaná v polovodiči.
Kľúčom k rébusu je zmena uhla pohľadu na problém. Dvojrozmerné materiály, niekedy iba jeden atóm tenké, môžu byt poukladané do viacvrstvových štruktúr, v ktorých sú navzájom viazané slabými van der Waalsovými interakciami. To umožní, že si jednotlivé materiály zachovajú svoje špecifické vlastnosti vo svojich rovinách, ale môžu prenášať interakcie medzi rovinami. Na druhej strane sa tu otvára možnosť prepínať medzi ich vlastnosťami cez modifikovanie Fermiho plochy pomocou naloženého napätia (kontrolnej páčky). Fermiho plocha je súbor elektrónových stavov, ktoré sú v prevažnej miere zodpovedné za špecifické vlastnosti materiálu odzrkadľujúc zároveň fundamentálne symetrie.
Navrhnutá ex-so-tic-ká súčiastka pozostáva z dvojvrstvy grafénu (uhlíka), dvojrozmerného feromagnetu Cr2Ge2Te6 a monovrstvy polovodiča WS2. Možnosť prepínať medzi výmennou („ex“ – exchange) interakciou a spinovo-orbitálnou („so“ – spin-orbit) interakciou na požiadanie pomocou elektrického poľa autori preukázali pomocou teoretických ab-initio výpočtov.
Odkaz na publikovanú štúdiu:
K. Zollner, M. Gmitra, J. Fabian 2020. Swapping Exchange and Spin-Orbit Coupling in 2D van der Waals Heterostructures. Physical Review Letters 125, 196402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.196402
