Физики из Нидерландов, США, Японии и Китая впервые обнаружили в графене устойчивый спиновый ток — поток спинов электронов, который возникает без движения электрического заряда. Самое важное: для этого не понадобилось внешнее магнитное поле, а сам эффект работает при комнатной температуре. Такой результат считается одним из ключевых шагов к созданию спинтронных схем, которые могут стать быстрее и энергоэффективнее привычной электроники.
В обычном графене такой эффект невозможен. Однако в эксперименте учёные использовали особую конструкцию — так называемую гетероструктуру. Это два тонких материала, уложенных друг на друга: графен и кристалл под названием CrPS4, состоящий из хрома, фосфора и серы. Этот материал обладает внутренними магнитными свойствами. Когда графен оказался на нём, между слоями возникло взаимодействие, которое «передало» графену нужные свойства: слабое намагничивание и спин-орбитальную связь. Благодаря этому в графене появился спиновый эффект Холла — явление, при котором электроны с разными спинами отклоняются в разные стороны, формируя чистый спиновый ток.
Иллюстрация: ScienceBrush, Talieh Ghiasi
Эксперимент проводился с помощью системы контактов, которые вводят ток в одной точке, а измеряют напряжение в другой, удалённой. Такой подход позволяет отличить обычный ток от спинового. Учёные увидели, что в образце возникал поперечный сигнал, который нельзя объяснить движением заряда — он соответствовал чистому потоку спинов. Этот эффект проявлялся даже при температуре 300 К (примерно 27?°C) и без применения магнитов.
Кроме того, в тех же образцах наблюдался так называемый аномальный эффект Холла — когда возникает поперечный зарядовый ток из-за внутреннего намагничивания. Это подтверждает, что подложка действительно «намагнитила» графен, создав условия для спинового эффекта Холла. Оба эффекта работали одновременно, что делает конструкцию особенно ценной для спинтроники.
До сих пор подобные явления в графене удавалось получить только при очень низких температурах или в сильном магнитном поле. Теперь же всё работает при комнатной температуре и без внешнего воздействия, что открывает возможность для использования таких материалов в обычных условиях — например, внутри микросхем.
По словам авторов, их структура — одна из первых, где топологические свойства (то есть устойчивые к дефектам потоки спинов) сочетаются с магнитными и работают без охлаждения. Это может стать основой для новых устройств: спинтронных логических элементов, энергоэффективной памяти и компонентов для квантовой электроники.
Дальнейшие шаги включают проверку, можно ли управлять спиновыми токами с помощью напряжения, как интегрировать такие структуры в чипы и как добиться стабильной работы при массовом производстве. В перспективе это может привести к созданию электроники, где информация будет передаваться не электричеством, а направлением спина — быстрее и с меньшими энергозатратами.
