나노기술 및 정책 정보

• 목록

스웨덴 찰머스 기술대학교(Chalmers University of Technology) 연구팀이 비평형 스핀밀도를 충전전류로 변환할 수 있는 스핀 갈바닉 효과를 입증함. 여기에서 그래핀과 토폴로지 절연체를 결합하여 실온에서 게이트 조정 가능한 스핀 갈바닉 효과를 실현한 것임. 이 실험적 실현은 많은 과학적 관심을 끌 것이며 스핀트로닉스 및 양자기술 응용 분야의 지도에 토폴로지 절연체와 그래핀을 포함시키게 될 것임.

그래핀의 전자는 스핀-궤도 커플링 (spin-orbit coupling)이라고 하는 스핀과 궤도 각 모멘트가 낮은 상호 작용을 하며, 이는 순수한 그래핀에서 조정 가능한 스핀트로닉스 기능을 달성 할 수 없음. 반면에 고유한 전자 스핀 텍스처와 토폴로지 절연체의 스핀 모멘텀 잠금 현상은 새로운 스핀 궤도 구동 스핀트로닉스 및 양자기술에 유망함. 그러나 토폴로지 절연체의 활용은 게이트전기 조절 기능의 부족, 벌크상태의 간섭, 이종구조계면에서 토폴로지 특성의 파괴와 같은 문제들을 발생시킴. 여기서 연구팀은 2 차원 그래핀을 van der Waals heterostructures의 3 차원 토폴로지 절연체와 통합하여 놀라운 스핀트로닉스 특성을 활용하고 실온에서 근접 유도 스핀 갈바닉 효과를 엔지니어링함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있었음. 그래핀은 원자적으로 얇기 때문에 다른 기능성 물질과 접촉하면 그 특성이 크게 변할 수 있는데, 이를 근접효과라고 함. 따라서 그래핀 기반 이종구조는 다른 기능성 물질과의 혼성화로 인해 발생하는 근접효과의 게이트 조절 가능성이 높기 때문에 흥미로운 장치 개념임. 이전에 반 데르 발스 이종구조에서 그래핀과 토폴로지 절연체를 결합한 연구결과는 강력한 근접 유도 스핀-궤도 커플링이 유도 될 수 있으며 그래핀 밴드에서 Rashba 스핀 분할을 생성할 것으로 예상했었음. 결과적으로, 근접화된 그래핀은 크기와 부호의 예상 게이트 조절 가능성과 함께 스핀 갈바닉 효과를 호스트 할 것으로 예상되었음. 그러나 이런 현상은 이전에 이러한 이종구조에서는 관찰되지 않았음. 연구팀은 이 스핀 갈바닉 효과를 실현하기 위해 그래핀 위상 절연체 이종구조의 특수한 홀-바형 장치를 개발하였음. 이 새로운 장치 개념은 연구팀이 스핀 스위치 및 Hanle 스핀 세차 실험을 통해 다양한 구성에서 보완 측정을 수행 할 수 있게 하여 실온에서 스핀 갈바닉 효과에 대한 명확한 증거를 제공하였음. 더욱이 게이트 전기장에 의한 스핀 갈바닉 효과의 뚜렷한 조절 기능과 부호 변화를 보여줄 수 있었는데, 이는 이러한 이종 구조가 모든 전기 및 게이트 튜너블 스핀트로닉스 장치의 실현을 가능하게 함.

본 연구 성과는 ‘Gate-tunable spin-galvanic effect in graphene-topological insulator van der Waals heterostructures at room temperature, Nature Communications’ (“Autonomous robotic nanofabrication with reinforcement learning”) 지에 게재됨