[论文解读] 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 23

一句话总结

本文提出了一种基于石墨烯的门控可变自旋电流复用器（GSDM），通过电学栅控实现对自旋电流分布的动态调控。通过利用单层和双层石墨烯中可调的自旋扩散长度与电导率，该GSDM在D'yakonov-Perel自旋弛豫机制下实现了性能优越的可重构自旋逻辑，展示了其在片上自旋电流调制器和可重构自旋电子电路中的应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于自旋电子逻辑电路的可重构自旋电流复用器。
• 实现在石墨烯中通过电学调控实现长距离自旋输运与可调的自旋电流分布。
• 探究不同自旋弛豫机制对石墨烯基自旋器件中门控效率的影响。
• 在单层和双层石墨烯中展示功能性的GSDM，以实现可扩展的自旋逻辑应用。

提出的方法

• 利用电学栅控调节石墨烯中的载流子密度，从而调控其电导率与自旋扩散长度。
• 采用Y形结结构，根据自旋弛豫特性将自旋电流分裂并导向两个输出分支。
• 依赖D'yakonov-Perel机制，相比Eliott-Yafet机制，可实现更优的门控性能。
• 对单层和双层石墨烯在不同栅压下的自旋电流分布进行实验与理论分析。
• 分析自旋弛豫动力学，以确定门控可变复用的最优条件。
• 通过模拟与石墨烯异质结构中自旋电流传播的分析，验证GSDM概念的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过电学栅控实现对石墨烯中自旋电流分布的动态调控？
• RQ2 D'yakonov-Perel自旋弛豫机制在提升石墨烯中门控效率方面起到何种作用？
• RQ3 GSDM在单层与双层石墨烯中的性能表现有何差异？
• RQ4 是否可在石墨烯中实现具备足够可调性的门控可变自旋复用？
• RQ5 影响石墨烯基自旋电子器件中自旋电流分布调控的关键因素有哪些？

主要发现

• GSDM在单层与双层石墨烯中均展现出可门控的自旋电流分布，实现了可重构自旋逻辑。
• D'yakonov-Perel自旋弛豫机制相比Eliott-Yafet机制，能更有效地实现对自旋电流的门控调节。
• 石墨烯中的自旋扩散长度可通过栅压实现电学调控，直接影响复用器性能。
• 该器件实现了对自旋电流的可控分裂，且对栅压具有高灵敏度，适用于片上调制。
• 理论分析证实，通过调节载流子密度实现门控，可精确操控自旋电流分布。
• GSDM概念被验证为未来可重构自旋电流逻辑电路中可行的构建模块。