A análise de heteroestruturas para spintrônica mostra como dois efeitos físicos quânticos desejados se reforçam mutuamente

A spintrônica usa os spins dos elétrons para executar operações lógicas ou armazenar informações. Idealmente, os dispositivos spintrônicos poderiam operar mais rápido e com mais eficiência energética do que os dispositivos semicondutores convencionais. No entanto, ainda é difícil criar e manipular texturas de spin em materiais.

O grafeno, uma estrutura bidimensional de favo de mel construída por átomos de carbono, é considerado um candidato interessante para aplicações spintrônicas. O grafeno é tipicamente depositado em uma fina película de metal pesado.

Na interface entre o grafeno e o metal pesado, um forte acoplamento spin-órbita se desenvolve, o que dá origem a diferentes efeitos quânticos, incluindo uma divisão spin-órbita dos níveis de energia (efeito Rashba) e uma inclinação no alinhamento dos spins (interação Dzyaloshinskii-Moriya). O efeito de inclinação do spin é especialmente necessário para estabilizar texturas de spin semelhantes a vórtices, conhecidas como skyrmions, que são particularmente adequadas para spintrônica.

Agora, no entanto, uma equipe hispano-alemã mostrou que esses efeitos são significativamente aumentados quando algumas monocamadas do elemento ferromagnético cobalto são inseridas entre o grafeno e o metal pesado (aqui: irídio). As amostras foram cultivadas em substratos isolantes, o que é um pré-requisito necessário para a implementação de dispositivos spintrônicos multifuncionais explorando esses efeitos.

A pesquisa foi publicada na revista ACS Nano.

“No BESSY II, analisamos as estruturas eletrônicas nas interfaces entre grafeno, cobalto e irídio”, diz o Dr. Jaime Sánchez-Barriga, físico do HZB. A descoberta mais importante: ao contrário das expectativas, o grafeno interage não apenas com o cobalto, mas também através do cobalto com o irídio.

“A interação entre o grafeno e o metal pesado irídio é mediada pela camada ferromagnética de cobalto”, explica Sánchez-Barriga. A camada ferromagnética aumenta a divisão dos níveis de energia.

“Podemos influenciar o efeito de inclinação do spin pelo número de monocamadas de cobalto; três monocamadas são melhores”, diz Sanchez-Barriga.

Este resultado é apoiado não apenas por dados experimentais, mas também por novos cálculos usando a teoria funcional da densidade. O fato de que ambos os efeitos quânticos influenciam e reforçam um ao outro é novo e inesperado.

“Só conseguimos obter esses novos insights porque o BESSY II oferece instrumentos extremamente sensíveis para medir fotoemissão com resolução de spin (Spin-ARPES). Isso nos leva à situação afortunada de podermos determinar a origem assumida da inclinação do spin, ou seja, a divisão spin-órbita do tipo Rashba, com muita precisão, provavelmente ainda mais precisamente do que a inclinação do spin em si”, enfatiza o Prof. Oliver Rader, que chefia o departamento de “Spin e Topologia em Materiais Quânticos” no HZB.

Existem apenas algumas poucas instituições no mundo que têm instrumentos com essas capacidades. Os resultados mostram que heteroestruturas baseadas em grafeno têm grande potencial para a próxima geração de dispositivos spintrônicos.