在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)工作的研究人员将石墨烯(一种单层形式的碳)与磁性材料如钴和镍等薄层相结合，以产生电子中的奇特行为，可用于下一代计算应用。

一层石墨烯(顶部)，钴(左下)和镍(右下)。旋转配置由箭头表示。

这项工作是与法国科学家合作完成的，其中包括诺贝尔奖获得者Albert Fert，巴黎 - 南大学的名誉教授和法国研究实验室的科学主任。该团队在伯克利实验室的分子铸造厂进行了关键测量，这是一家专注于纳米科学研究的DOE科学用户设施办公室。

Fert在2007年分享了诺贝尔物理学奖，因为他在理解多层材料中的磁性效应方面所做的工作，这些材料导致了用于读取硬盘驱动器数据的新技术，并且引发了一个研究如何利用和控制基础的新领域被称为“旋转”的电子属性，以驱动一种新型的低能量，高速计算机内存和称为自旋电子学的逻辑技术。

这项最新的研究成果于5月28日在线发表在“ 自然材料 ”期刊上，研究小组展示了这种自旋属性 - 类似于可以调整为面向北方还是南方的罗盘针 - 受到石墨烯与磁性体相互作用的影响层。

研究人员发现，这种材料的电子和磁性特性会在各层相遇时形成微小的旋转图案，这种效应使科学家有望控制这些漩涡的方向，并将这种效应用于一种称为“自旋轨道器”的自旋电子学应用。超薄材料。最终目标是以非常小的尺度快速有效地存储和操作数据，并且不会产生热量累积，这是小型化计算设备的常见呃逆。

通常情况下，致力于在材料中产生这种电子行为的研究人员将重金属和贵金属(如铂和钽)与磁性材料结合在一起以实现此类效果，但石墨烯提供了一种潜在的革命性替代方案，因为它超薄，重量轻，具有非常高的导电性，并且还可以用作易腐蚀磁性材料的保护层。

“你可以考虑用所有的固态设备替代电脑硬盘 - 没有移动部件 - 仅仅使用电信号，”参与该研究的Molecular Foundry的科学家Andreas Schmid说道。“部分目标是降低功耗和非易失性数据存储。”

Schmid指出，最新的研究代表了迈向这一目标的早期步骤，下一步是控制纳米磁性特征，称为skyrmions，它可以表现出一种被称为手性的特性，使它们可以顺时针或逆时针旋转。

Schmid说，在更传统的分层材料中，通过材料的电子可以像“电子风”一样起作用，改变磁结构，就像一堆强风吹动的叶子。

在使用伯克利实验室SPLEEM仪器开发的这些图像中，含有钴(Co)和钌(Ru)的样品中的磁化取向用白色箭头表示。左图显示了添加一层石墨烯(“Gr”)时方向如何改变。两幅图像右下方的比例尺为1微米，即百万分之一米。

但是对于新型石墨烯层状材料，由于“自旋霍尔效应”，其强大的电子自旋效应可以驱动不同方向上相反手征性的磁性结构，这解释了电流如何影响自旋，反之亦然。如果这种手性可以通过一种材料普遍对齐，并以受控方式翻转，研究人员就可以用它来处理数据。

“其他团队成员的计算表明，如果采用不同的磁性材料和石墨烯，并构建多层重复结构的多层堆叠，那么这种现象和影响可能会非常有力地放大，”Schmid说。

为了测量分层材料，科学家在Molecular Foundry的国家电子显微镜中心使用仪器应用了自旋极化低能电子显微镜(SPLEEM)。它是世界上仅有的一些专用设备之一，它允许科学家们将不同的图像结合起来，从而基本上映射样品3-D磁化轮廓(或矢量)的方向，从而揭示其“旋转纹理”。

该研究小组还使用相同的SPLEEM仪器通过称为分子束外延的精确过程创建样品，并使用其他形式的电子束探测技术分别研究样品。

作为共同主要作者的Gong Chen在分子铸造研究所担任博士后研究员，现在是加州大学戴维斯分校物理系助理项目科学家，他表示，这次合作是在与法国科学家在2016年 - 两个团体都独立进行了类似的研究并实现了协同合作。

尽管研究人员目前在最新实验中观察到的效果已经在以前的期刊文章中讨论过几十年，但陈先生指出，使用像石墨烯这样的原子级薄材料代替重元素来产生这些效应的概念是一个新概念。

“最近才成为热门话题，”陈说。“薄膜中的这种效应长期以来一直被忽视，这种类型的多层堆叠非常稳定和坚固。”

他说，使用暴风雨对于数据处理可能是革命性的，因为信息可能以高于常规技??术可能存在的密度存储，并且功耗要低得多。

分子铸造研究人员正在努力在绝缘体或半导体上形成石墨烯磁性多层材料，以使其更接近潜在应用，Schmid说。