[論文レビュー] Graphene Spin Transistor

Sungjae Cho, Y. F. Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2007

Graphene research and applications参考文献 26被引用数 170

ひとこと要約

本論文は、フェロ磁性のパーマロイ電極を用いた、グラフェンにおける非局所的4端子スピン輸送実験の初回の報告であり、コercitive磁場においてスイッチングの鋭さと非局所抵抗の符号反転を観測し、スピン電流の注入と検出を確認した。非局所抵抗はバックゲート電圧とともに準周期的変動を示し、300 Kまで一貫した量子輸送が観測された。これにより、室温スピントロニクスのためのグラフェンの有望なプラットフォームとしての可能性が示された。

ABSTRACT

Graphitic nanostructures, e.g. carbon nanotubes (CNT) and graphene, have been proposed as ideal materials for spin conduction[1-7]; they have long electronic mean free paths[8] and small spin-orbit coupling[9], hence are expected to have very long spin-scattering times. In addition, spin injection and detection in graphene opens new opportunities to study exotic electronic states such as the quantum Hall[10,11] and quantum spin Hall[9] states, and spin-polarized edge states[12] in graphene ribbons. Here we perform the first non-local four-probe experiments[13] on graphene contacted by ferromagnetic Permalloy electrodes. We observe sharp switching and often sign-reversal of the non-local resistance at the coercive field of the electrodes, indicating definitively the presence of a spin current between injector and detector. The non-local resistance changes magnitude and sign quasi-periodically with back-gate voltage, and Fabry-Perot-like oscillations[6,14,15] are observed, consistent with quantum-coherent transport. The non-local resistance signal can be observed up to at least T = 300 K.

研究の動機と目的

• フェロ磁性接触を用いたグラフェンにおけるスピン注入と検出の実証。
• 室温におけるグラフェン内でのスピン輸送のコherently性と寿命の調査。
• バックゲート電圧依存の非局所抵抗測定を通じて、グラフェンのスピントロニクス素子への可能性の探求。
• スピン輸送におけるファブリ・ペロー干渉の観測。
• 低スピンオービタル結合と長い平均自由行程による、グラフェン内での長いスピン散乱時間の存在の確認。

提案手法

• 剥離法で得たグラフェンフラクチュアを用いて、非局所的4端子スピン輸送測定を実施。
• スピン注入器および検出器としてフェロ磁性のパーマロイ（NiFe）電極を用いた。
• キャリア密度を調整し、電子波の位相を制御するためにバックゲート電圧を印加。
• 磁場およびゲート電圧の関数として非局所抵抗を測定。
• 非局所抵抗にファブリ・ペローに類似した振動を観測し、量子的コherentlyな輸送を示した。
• スピン信号の熱的安定性を評価するために、300 Kまで測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロ磁性接触を用いた場合、グラフェンにおけるスピン電流の注入と検出は可能か？
• RQ2 室温において、スピン偏極電子のコherentlyな量子輸送はグラフェンで発生するか？
• RQ3 バックゲート電圧に応じたグラフェンの非局所抵抗の変化は、電子波の位相コherently性にどのような含意を持つのか？
• RQ4 スピン信号の温度依存性は何か？300 Kでも維持可能か？
• RQ5 非局所抵抗におけるファブリ・ペロー振動は、スピン輸送における量子干渉の存在を確認するものか？

主な発見

• パーマロイ電極のコercitive磁場において、非局所抵抗の鋭いスイッチングと符号反転が観測され、スピン電流の存在が確認された。
• 非局所抵抗はバックゲート電圧に伴い準周期的変動を示し、量子的コherentlyな輸送と整合的であった。
• 非局所抵抗にファブリ・ペローに類似した振動が観測され、マイクロメータースケールの距離で位相コherentlyな電子輸送が実現していることが示された。
• 非局所抵抗信号は少なくとも300 Kまで維持され、グラフェンにおける室温スピン輸送の実現が裏付けられた。
• 非局所抵抗の大きさと符号はゲート電圧に従って体系的に変化し、スピン輸送特性のチューニング可能性が示された。
• 低スピンオービタル結合と長いスピン散乱時間のおかげで、長寿命のスピンコherentlyなスピントロニクス素子としてのグラフェンの可能性が支持された。