Графен представляет собой двумерную кристаллическую решетку углеродных атомов, расположенных в виде шестиугольной решетки (honeycomb lattice). Каждый атом углерода связан с тремя соседями через sp²-гибридизацию, формируя прочную и плоскую структуру. Электронная структура графена характеризуется наличием π- и π*-зон, которые формируют линейные зоны проводимости вблизи точек Дирака. Эти линейные дисперсионные зависимости приводят к высокой подвижности носителей заряда и уникальной физике квантового транспорта.
В контексте спинтроники ключевое значение имеют спиновые степени свободы электронов и возможность их контролируемого манипулирования. В чистом графене спин-орбитальное взаимодействие (SOI) чрезвычайно слабое, что делает спиновые состояния относительно стабильными, с длинными временами спиновой релаксации. Однако введение дефектов, примесей или взаимодействие с подложками может усиливать SOI, создавая возможности для реализации спиновых эффектов.
Графен сам по себе не является магнитным материалом. Для создания магнитного графена используют несколько подходов:
Дефекты и вакансии: Введение атомных вакансий или адсорбированных атомов водорода может локализовать электроны, формируя магнитные моменты. Например, одинарная вакансия в графене создаёт локализованный спин S = 1/2, который может взаимодействовать с соседними спинами через обменное взаимодействие Рудермана–Киттеля–Каса (RKKY).
Химическое функционализирование: Адсорбция атомов кислорода, фтора или переходных металлов приводит к локальной магнитизации, часто сопровождающейся усилением спин-орбитального взаимодействия.
Контакт с ферромагнитными материалами: Графен, размещённый на ферромагнитной подложке, может получать индукцию спиновой поляризации через proximity effect, что позволяет управлять спином без разрушения структуры графена.
Ключевым параметром является плотность магнитных моментов и их распределение, поскольку от этого зависит тип магнитного упорядочения: ферромагнитное, антиферромагнитное или спиновое стекло.
Графеновые наноленты (GNR) представляют собой полоски графена с шириной от нескольких до десятков нанометров. Их свойства зависят критически от типа краевых атомов:
Зигзагообразные края (zigzag edges): На краевых атомах формируются локализованные состояния с высокой плотностью спинов, что приводит к спиновому упорядочению вдоль краёв. На коротких нанолентах эти края могут демонстрировать антиферромагнитное упорядочение между противоположными краями.
Арматурные края (armchair edges): Такие наноленты, как правило, не проявляют локализованных краевых спинов, но демонстрируют зависимость ширины от запрещённой зоны, что влияет на спиновую проводимость через квантовый эффект ограничения.
Ключевой момент: ширина и тип краев напрямую управляют энергетическим спектром и распределением спиновых состояний, открывая путь к проектированию наномасштабных спинтронных устройств.
В графене спин-орбитальное взаимодействие естественно слабое, но его можно существенно увеличить через:
Усиленное SOI открывает доступ к квантовому спин-Галлею, при котором электроны с противоположными спинами движутся в противоположных направлениях вдоль краёв графена. Это фундаментально важно для создания бездиссипативных спиновых токов и реализации топологических спинтронных устройств.
В магнитном графене и нанолентах спины взаимодействуют через несколько механизмов:
Практическая значимость: манипулирование этими взаимодействиями позволяет реализовать спиновые фильтры, туннельные магнитные сенсоры и квантовые точки с заданной спиновой конфигурацией.
Магнитный графен и графеновые наноленты демонстрируют несколько ключевых эффектов для спинтроники:
Эти явления делают графен перспективным материалом для спинтронных логических элементов, энергоэффективной памяти и квантовых вычислений.
Теоретические подходы:
Экспериментальные методы: