دستیابی به کنترل الکتریکی جریان‌های اسپین در گرافن از طریق سوئیچ‌کردن فروئکتریک
توسط مؤسسه فیزیک تجربی SAS
یک تیم تحقیقاتی مشترک اروپایی به رهبری فیزیکدانان آکادمی علوم اسلواکی، رویکردی نوین برای کنترل جریان‌های اسپین در گرافن با اتصال آن به لایه تک‌بعدی فروئکتریک In2Se3 نظریه‌پردازی کرد. با استفاده از شبیه‌سازی‌های اصول اولیه و مدل باند تنگ، پژوهشگر نشان داد که سوئیچ‌کردن فروئکتریک In2Se3 می‌تواند جهت جریان اسپین در گرافن را معکوس کند و به عنوان یک سوئیچ الکتریکی اسپین عمل نماید. این کشف مسیر جدیدی به سوی دستگاه‌های اسپین‌ترونیک کم‌مصرف انرژی، غیرقابل‌فراموشی و بدون مغناطیس فراهم می‌آورد و گامی کلیدی در جهت ساخت‌وساز منطق و حافظه‌های مبتنی بر اسپین برای کنترل بافت‌های اسپینی به شمار می‌رود.
یافته‌ها در مجله Materials Futures منتشر شده‌اند.
اسپین‌ترونیک و نوید گرافن
در دو دههٔ گذشته، اسپین‌ترونیک به‌عنوان یکی از پیشروترین حوزه‌های نانو الکترونیک ظاهر شد که سعی دارد از حرکت زاویه‌ای ذرات الکترونی، یعنی اسپین، برای حمل و پردازش اطلاعات بهره‌برداری کند. برخلاف الکترونیک مبتنی بر بار، منطق و حافظه‌های مبتنی بر اسپین می‌توانند به‌طور چشمگیری مصرف انرژی و گرما را کاهش دهند و همزمان سرعت عملیاتی بالاتر و حفظ داده‌های غیرقابل‌فراموشی را ارائه دهند.
با وجود پیشرفت سریع در مواد و معماری دستگاه‌ها، مانعی اساسی همچنان باقی مانده است: دستیابی به کنترل دقیق و کم‌مصرف الکتریکی بر جریان‌های اسپین بدون وابستگی به میدان‌های مغناطیسی خارجی. هرچند دستکاری مغناطیسی مؤثر است، اما چالش‌های بزرگی در مقیاس‌پذیری دستگاه، کارایی انرژی و سازگاری با فناوری‌های نیمه‌هادی موجود ایجاد می‌کند.
در این زمینه، مواد دوبعدی (۲‑بعدی) چشم‌اندازی جدید را گشوده‌اند که گرافن به‌عنوان یکی از مشهورترین نمایندگان آن به‌شمار می‌رود.
هترواستراکچرها و کنترل فروئکتریک
گرافن، با تحرک الکترونیکی فوق‌العاده و زمان طولانی ریلکساسیون اسپین، کاندیدای اصلی برای اسپین‌ترونیک است. اما جفت‌سپین داخلی آن ضعیف است و محدودیت‌هایی برای کنترل مستقیم اسپین ایجاد می‌کند. برای غلبه بر این محدودیت، پژوهشگران به هترواستراکچرهای ون‌دروالس روی آورده‌اند و گرافن را با سایر مواد دو‑بعدی ترکیب می‌کنند تا از طریق اثرهای مجاورت، قابلیت‌های جدیدی به‌دست آورند.
یکی از هترواستراکچرهای جذاب، ترکیب گرافن با مواد فروئکتریک با قطبیت الکتریکی خودبه‌خودی است که می‌توان آن را با اعمال ولتاژ کنترل کرد. هنگامی که یک ماده فروئکتریک در تماس با گرافن قرار می‌گیرد، دو قطبی الکتریکی آن می‌تواند تقارن وارونگی را در سطح تماس شکسته و از این طریق، جهت‌گیری اسپین و سوئیچ‌کردن الکتریکی خالص را ممکن سازد.
با در نظر گرفتن این مفهوم، گروهی از پژوهشگران یک پلتفرم جدید هترواستراکچر گرافن/In2Se3 معرفی کردند که اثرهای مجاورت ناشی از قطبیت فروئکتریک In2Se3 می‌تواند جفت‌سپین‑اوربیتی گرافن را تحت‌تاثیر قرار دهد. با استفاده از محاسبات اصول اولیه و مدل باند تنگ، نشان دادند که معکوس کردن جهت قطبیت In2Se3 علامت اثر رالش‑ادلستین (Rashba‑Edelstein) را برعکس می‌کند و در نتیجه چیرالیته‌ی بافت‌های اسپین و جهت جریان اسپین را تغییر می‌دهد. این تغییر بدون نیاز به میدان‌های مغناطیسی و با مصرف توان ناچیزی پس از تنظیم قطبیت رخ می‌دهد.
یافته‌های کلیدی و مسیرهای آینده
تیم تحقیقاتی هترواستراکچرهای گرافن/In2Se3 را در دو پیکربندی بررسی کرد: یک رابط به‌طور کامل هم‌راستا (۰°) و یک هندسهٔ چرخیده (۱۷٫۵°). از طریق محاسبات دقیق ساختار الکترونی، دریافتند که معکوس کردن قطبیت فروئکتریک لایه تک‌بعدی In2Se3 ضریب تبدیل بار به اسپین را معکوس می‌کند و به‌عنوان «سوئیچ چیرالیته الکتریکی» برای جریان‌های اسپین در گرافن عمل می‌نماید.
در حالت بدون چرخش، سیستم اثر رالش‑ادلستین (REE) معمولی را نشان می‌دهد؛ به‌عبارتی که جریان بار اعمال‌شده باعث تجمع اسپین عمودی می‌شود که جهت آن به قطبیت فروئکتریک قفل می‌شود. در زاویهٔ ۱۷٫۵°، سیستم به وضعیتی می‌رسد که تحت تسلط اثر رالش‑ادلستین غیرمتعارف (UREE) قرار می‌گیرد؛ در این حالت جریان اسپین تقریباً موازی جریان بار می‌شود به دلیل ظهور میدان رالش شعاعی، پدیدهٔ نوینی که پیش‌تر در سیستم‌های مسطح گرافن قابل دسترسی نبود.
نتایج آن‌ها پایهٔ نظری برای پیاده‌سازی ترانزیستورهای اسپینی مبتنی بر گرافن که توسط سوئیچ فروئکتریک کنترل می‌شوند، فراهم می‌کند و می‌تواند منطق و حافظه‌های اسپینی نسل آینده را با مصرف انرژی کم و سرعت بالا امکان‌پذیر سازد. این مطالعه نویدبخش ادغام مواد فروئکتریک دو‑بعدی با گرافن به‌منظور استفاده از قابلیت‌های اسپین‌ترونیکی جدید است.
تلاش‌های آینده باید بر روی تأیید تجربی نتایج پیشنهادی متمرکز شوند تا دستگاه‌های اسپین‌ترونیک الکتریکی‌اً کنترل‌شده، غیرقابل‑از‑دست‌رفت و با مصرف کم انرژی و سرعت بالا به‌طور کامل به‌عمل آیند.
اطلاعات بیشتر: مارکو میلیووچیچ و همکاران، کنترل سوئیچ‌کردن فروئکتریک جریان اسپین در گرافن به‌وسیله نزدیکی با In2Se3، Materials Futures (2025). DOI: 10.1088/2752-5724/ae18ea
ارائه شده توسط مؤسسه فیزیک تجربی SAS
استناد: کنترل الکتریکی جریان‌های اسپین در گرافن از طریق سوئیچ‌کردن فروئکتریک (2025, November 14) دریافت شده 16 نوامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-11-electrical-currents-graphene-ferroelectric.html
این سند تحت حق تکثیر قرار دارد. به‌جز هرگونه استفاده منصفانه برای مقاصد مطالعه یا پژوهش شخصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل انتشار نیست. محتوا صرفاً برای اطلاع‌رسانی ارائه شده است.