Desde que o grafeno foi isolado pela primeira vez há alguns anos, esta rede quase bidimensional composta de uma única camada de átomos de carbono foi considerada o material mágico. Não é apenas o grafeno mecanicamente altamente resiliente, também fornece uma base interessante para novos componentes spintrônicos que exploram o momento magnético dos elétrons de condução.

Agora, Dr. Andrei Varykhalov do Helmholtz Center Berlin, O Prof. Dr. Oliver Rader e sua equipe de físicos deram o primeiro passo para a construção de componentes baseados em grafeno, em colaboração com físicos de São Petersburgo (Rússia), Jülich (Alemanha) e Harvard (EUA). De acordo com seu relatório em 27. novembro 2012 em Nature Communications , eles conseguiram aumentar o acoplamento spin-órbita dos elétrons de condução de grafeno por um fator de 10, 000 - o suficiente para permitir que construam um interruptor que pode ser controlado por meio de pequenos campos elétricos.

A camada de grafeno fica no topo de um substrato de níquel cujos átomos são separados pela mesma distância que as malhas hexagonais de grafeno. Próximo, os físicos depositaram átomos de ouro em sua amostra que acabaram se alojando entre o grafeno e o níquel.

O uso de diferentes espectrômetros de fotoelétrons na própria instalação de radiação síncrotron BESSY II do HZB permitiu aos pesquisadores medir as mudanças nas propriedades eletrônicas do grafeno. Assim como a terra, elétrons têm dois momentos angulares:um momento angular orbital, que lhes permite circular o núcleo atômico; e um spin correspondente a uma rotação em torno de seus próprios eixos. Um forte acoplamento spin-órbita, portanto, significa uma grande diferença energética dependendo se ambas as rotações são direcionadas na mesma ou em direções opostas. No caso de núcleos mais leves (como é verdadeiro para átomos de carbono), a interação spin-órbita é bastante fraca, ao passo que, no caso de átomos mais pesados ​​como o ouro, é bastante forte. "Nós poderíamos mostrar isso, dada sua proximidade com a camada de grafeno, os átomos de ouro também foram capazes de aumentar essa interação na camada de grafeno por um fator de 10, 000, "explica Dmitry Marchenko, que fez as medições como parte de sua pesquisa de doutorado.

De acordo com Varykhalov, este acoplamento spin-órbita muito forte permitiria aos pesquisadores construir uma espécie de interruptor, já que os spins agora poderiam ser girados usando um campo elétrico. Dois filtros de rotação - um na frente e um atrás do componente - cada um toleraria apenas rotações unidirecionais. Se os filtros de rotação fossem perpendiculares entre si, nenhum giro seria capaz de passar mais e a chave seria efetivamente desligada. Um campo elétrico, Contudo, giraria os giros de forma que pudesse - parcial ou totalmente - girar a chave para cima.

"Conseguimos documentar que apenas os elétrons nos orbitais 5d dos átomos de ouro aumentam a interação da órbita de spin do grafeno. Isso está de acordo com nossos modelos teóricos, "explica Varykhalov. No entanto, os físicos do HZB já têm seu próximo desafio definido:um componente à base de grafeno que fica em uma superfície não condutora em vez de níquel, um metal. Não surpreendentemente, eles já começaram a trabalhar nisso.