[論文レビュー] A gate-variable spin current demultiplexer based on graphene

Liwen Su, Xiaoyang Lin+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Graphene research and applications参考文献 32被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、グラフェンを用いたゲート変数型スピン電流デマルチプレクサ（GSDM）を提案し、電気的ゲーティングによりスピン電流分配を動的に制御することを可能にする。単層および二層グラフェンにおけるスピン拡산長および電導度のゲート調整可能特性を活用することで、D'yakonov-Perelスピン緩和機構下で優れた性能を示す再構成可能なスピン論理を実現し、オンチップスピン電流モジュレータおよび再構成可能なスピントロニクス回路への応用可能性を示している。

ABSTRACT

Spintronics, which utilizes spin as information carrier, is a promising solution for nonvolatile memory and low-power computing in the post-Moore era. An important challenge is to realize long distance spin transport, together with efficient manipulation of spin current for novel logic-processing applications. Here, we describe a gate-variable spin current demultiplexer (GSDM) based on graphene, serving as a fundamental building block of reconfigurable spin current logic circuits. The concept relies on electrical gating of carrier density dependent conductivity and spin diffusion length in graphene. As a demo, GSDM is realized for both single-layer and bilayer graphene. The distribution and propagation of spin current in the two branches of GSDM depend on spin relaxation characteristics of graphene. Compared with Elliot-Yafet spin relaxation mechanism, D'yakonov-Perel mechanism results in more appreciable gate-tuning performance. These unique features of GSDM would give rise to abundant spin logic applications, such as on-chip spin current modulators and reconfigurable spin logic circuits.

研究の動機と目的

• スピントロニクス論理回路に用いる再構成可能なスピン電流デマルチプレクサの開発を目的とする。
• グラフェンにおける電気的に調整可能なスピン電流分配を介して、長距離スピン輸送を実現することを目的とする。
• 異なるスピン緩和機構が、グラフェンベースのスピンデバイスにおけるゲート調整効率に与える影響を調査することを目的とする。
• スケーラブルなスピン論理応用を想定し、単層および二層グラフェンの両方で機能的なGSDMを実証することを目的とする。

提案手法

• グラフェンのキャリア密度を電気的ゲーティングによって変調することで、その電導度およびスピン拡散長を調整する。
• Y字型ジオメトリを用いて、スピン緩和特性に基づきスピン電流を二つの出力ブランチに分割・ルーティングする。
• D'yakonov-Perel機構に依存することで、Eliott-Yafet機構に比べてゲート調整性能が向上する。
• 変動するゲート電圧下での単層および二層グラフェンにおけるスピン電流分配に関する実験的および理論的分析を実施する。
• スピン緩和ダイナミクスを分析し、ゲート変数型デマルチプレクシングに最適な条件を特定する。
• グラフェンヘテロ構造におけるスピン電流伝搬のシミュレーションおよび分析を通じて、GSDMの概念を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして電気的ゲーティングによりグラフェンにおけるスピン電流分配を動的に制御できるか？
• RQ2 D'yakonov-Perelスピン緩和機構は、グラフェンにおけるゲート調整効率を向上させる役割を果たすか？
• RQ3 GSDMの性能は、単層グラフェンと二層グラフェンの間でどのように異なるか？
• RQ4 十分な調整性を有するゲート変数型スピンデマルチプレクシングは、グラフェンで実現可能か？
• RQ5 グラフェンベースのスピントロニクスデバイスにおけるスピン電流分配制御の主な制限要因は何か？

主な発見

• GSDMは、単層および二層グラフェンの両方でゲート調整可能なスピン電流分配を示し、再構成可能なスピン論理を実現した。
• D'yakonov-Perelスピン緩和機構は、Eliott-Yafet機構に比べてスピン電流のゲート調整効率をより効果的に向上させる。
• グラフェンにおけるスピン拡散長はゲート電圧によって電気的に調整可能であり、デマルチプレクサの性能に直接影響を与える。
• ゲート電圧に高い感度を示す制御可能なスピン電流分割が実現され、オンチップモodulationに適している。
• 理論的分析により、キャリア密度をゲーティングによって調整することで、スピン電流分配を正確に制御可能であることが確認された。
• GSDMの概念は、将来の再構成可能なスピン電流論理回路の構築ブロックとして実現可能であると検証された。