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Dispositivos spintrônicos trabalham com texturas de spin causadas por interações físicas quânticas. Uma colaboração hispano-alemã estudou heteroestruturas de grafeno-cobalto-irídio no BESSY II. Os resultados mostram como dois efeitos físicos quânticos desejados reforçam um ao outro nessas heteroestruturas. Isso pode levar a novos dispositivos spintrônicos baseados nesses materiais.
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.
Grafeno para Spintrônica
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 de níveis de energia (efeito Rashba) e uma inclinação no alinhamento de spins (interação Dzyaloshinskii-Moriya). Especialmente o efeito de inclinação de spin é necessário para estabilizar texturas de spin semelhantes a vórtices, conhecidas como skyrmions, que são particularmente adequadas para spintrônica.
Mais monocamadas de cobalto
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 que exploram esses efeitos.
Interações observadas
“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 spin-canting 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.
SPIN-ARPES em BESSY II
‘Só conseguimos obter esses novos insights porque o BESSY II oferece instrumentos extremamente sensíveis para medir fotoemissão com resolução de spin (Spin-ARPES). Isso leva à situação afortunada de que podemos 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 as heteroestruturas baseadas em grafeno têm grande potencial para a próxima geração de dispositivos spintrônicos.
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