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연구팀은 그래핀과 다른 2 차원 재료를 결합함으로써 스핀트로닉스 (spintronics)로 알려진 미래의 컴퓨터를 위한 트랜지스터와 같은 장치의 프로토타입을 만들었다. 정보 캐리어 (carrier)로 스핀은 전자 제품을 훨씬 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들 수 있다. 또한 데이터 계산 및 저장이 가능한 보다 다양한 구성 요소로 이어질 수 있다. 이 발견은 과학 저널 Nature Communications에 발표되었다. 초박막 카본 메쉬는 장거리에서 전자를 전달할 수 있고 실온에서 다른 알려진 물질보다 긴 시간 동안 스핀을 보존할 수 있음이 입증되었다. 거리가 여전히 수 마이크로 미터 수준이고 시간은 여전히 나노초 단위로 측정되지만, 원칙적으로 마이크로 전자 부품에서 스핀을 사용할 수 있는 가능성을 열었다. 연구자들은 그래핀 핫 필드 (hot field)의 다른 많은 연구자들과 마찬가지로 그래핀과 대조적인 스핀트로닉스 특성을 지닌 얇은 이른바 2 차원 재료의 조합을 테스트하기로 결정했다. 연구팀은 높은 스핀-궤도 커플링으로 수명이 짧아 스핀 수명이 짧은 MoS2를 선택했다. 연구팀은 헤테로 구조라고 하는 샌드위치 형태의 그래핀 층 위에 몇 층의 이황화 몰리브덴이 놓여있는 실험을 설계했다. 이를 통해 전자 전류가 헤테로 구조에 도달할 때 스핀 신호에 어떤 일이 발생하는지 자세히 확인할 수 있었다. 첫 번째로, 스핀 신호의 크기와 그래핀의 수명은 몰리브덴 이황화물과의 밀접한 접촉을 통해 10 배가 감소했지만, 이종 구조에 전기 게이트 전압을 적용하여 신호와 수명을 제어할 수 있는 방법을 보여준다. 이것은 쇼트키 장벽이라 불리는 물질 층 사이에 존재하는 자연 에너지 장벽이 전압이 가해질 때 감소하기 때문이다. 이를 통해 전자는 기계적으로 그래핀에서 이황화 몰리브덴으로 터널링할 수 있다. 이것은 스핀 편극을 사라지게 하고 스핀이 무작위로 분배된다. 전압을 조절하여 이러한 방식으로 '밸브'를 열거나 닫는 것은 트랜지스터의 기능과 유사하다. 스핀 전류 및 스핀 수명의 게이트 제어가 상온에서 작동한다는 것을 최초로 증명하였으며, 미래의 다른 응용 분야에 대한 가능성을 높여주었다. 이 원리에 기반을 둔 구성 요소는 스핀트로닉 스위칭을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 자기 메모리 요소, 반도체 및 그래핀을 포함하고 있기 때문에 매우 다양할 수 있다. 이것은 단일 장치에서 데이터 저장과 프로세서 작업을 모두 처리할 수 있는 다기능 구성 요소를 가능케 한다. 이황화 몰리브덴은 많은 물질이 접촉하는 반도체 물질이다. 이 물질은 주유소에서 판매되는 특정 유형의 윤활유의 활성 성분이다. 층 구조를 가진 이황화 몰리브덴은 서로 붙어있는 여러 층의 그래핀으로 구성된 흑연과 유사하다. 이황화 몰리브덴은 어떤 극성 전자 전류도 통과시키지 않는다. 전자가 신속하게 상향 스핀과 하향 스핀의 자연스럽고 무작위적인 혼합으로 되돌아 오기 때문에 스핀 신호는 급격한 사라진다. 스핀은 전자 및 기타 기본 입자의 양자 역학 특성이다. 스핀이 위로 향하게 되거나 아래로 향하게 된다. 분포는 일반적으로 무작위이다. 그러나 때로는 재료의 모든 전자 또는 대다수의 전자가 동일한 방향 (위 또는 아래)으로 회전하는 경우가 있다. 이것이 자력이 발생하는 방식이다. 자석의 도움으로 전자 전류를 균질화 (즉, 분극화)하여 모든 전자가 상향 스핀을 갖도록 할 수 있다. 전류는 스핀 신호를 전달한다. 결합된 스핀은 분열에 민감하고 쉽게 파괴될 수 있지만, 그래핀은 스핀이 손상되지 않은 상태로 비정상적으로 전류가 흐르게 하는 전도체이다. 미래의 로직 구성 요소인 정보 캐리어인 스핀트로닉스에서 스핀을 사용할 수 있을 만큼 수명이 충분히 길다. |
