29. グラフェンのスピントロニクス、パンドラの箱がここに発見された？

2022年5月1日 10:02

2021年8月19日
mikandersen

元記事はこちら。

参考

Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. (2011). グラフェン・スピントロニクス：強磁性電極の役割。Nano letters, 11(1), pp.151-155。https://doi.org/10.1021/nl1031919。

はじめに

スピントロニクスは、電子の電荷とスピンを研究する科学技術分野である。「スピン」とは、電子が自分自身の周りを回転することです。軌道角運動量と等価な一つの値（量子数）を取るのです。量子コンピュータへの応用は、量子ビット（Burkard, G.; Engel, HA; Loss, D. 2000 | Leuenberger, MN; Loss, D. 2001）を、ナノ磁場によって回転値を変化させるコンピュータと同様の方法で反射できることを利用したものである。これは、電子とそのスピンの磁気抵抗効果により可能であり、磁場に対して高い感度を持つスピンバルブを開発し（Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018 | Braun, M. ; König, J.; Martinek, J. 2006）、概念の実現性を実証しています。

事実

本研究では、強磁性体であるコバルト-ニッケル電極を用いてグラフェン・スピントロニクスを動作させる方法を解析し、60-80%の範囲のスピン-スピン効率を達成し、良好な計算機相互作用能力を意味します。つまり、マザーボード上のプロセッサやPCチップのような2進法や量子コンピューティングの原理を、ナノメートルサイズのグラフェンに置き換えることが可能なのだ。「この大きなスピンフィルタリング（誘導磁場の入射を指す）は、グラフェンとFM（強磁性界面）の材料固有の相互作用によって、グラフェンバンドの線形分散関係が破壊され、スピン依存のエネルギーギャップが開くことに起因する」と主張されている。これは、スピンの物理的性質を自在に変化させ、その自然な値を変化させる能力です。"少数スピン禁制帯は多数スピン禁制帯よりも高いエネルギーに存在し、...大きな少数スピン支配電流をもたらす特徴 "を持つ。つまり、スピンのエネルギー電流を変化させることで、角運動量や偏光を変化させ、異なる値を自在に記録することが可能なのです。
グラフェン回路とコバルト-ニッケル電極の構成図

図1. グラフェン回路とコバルト-ニッケル電極の図。(Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. 2011)

著者らは、スピントロニクスやマグネトロエレクトロニクスの目的を次のように紹介している。「スピントロニクス、あるいはマグネトロエレクトロニクスという分野は、電子のスピンの自由度と固有の磁気モーメントを用いて、回路の特性に影響を与えたり制御したりするものである」。ナノメートルサイズの回路やトランジスタ、ひいてはチップやプロセッサーの開発が進められているのは明らかだ。グラフェンは、C（炭素）原子の2次元格子であり、ブリルアンゾーンのK点に位置する円錐（ディラック）点でフェルミレベルに結合した直線分散型の電子バンドを持つ無空間物質である。グラフェンは、極めて大きな移動度を持つ有効質量ゼロのキャリアなど、その優れた特性から注目されており、将来のナノテクノロジーを担う存在として期待されている。中でもグラフェンは、C（炭素）の原子数が少ないためにスピン軌道相互作用が弱く、その結果、スピンコヒーレンス長が長くなるという特長がある。したがって、グラフェンはスピントロニクスデバイスへの応用が期待できる材料であり、磁気エレクトロニクスの文脈の中でグラフェンのユニークな電子特性を利用することができる」と述べている。この記述の中で、グラフェンの磁気的安定性と、スピンの性質を磁気的に変化させることができることが明らかにされている。
電極と形成する磁界中の高エネルギー電荷によるスピン偏極度の変化

図2.電極と形成される磁場中での高エネルギー電荷によるスピン偏極の変化。(Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. 2011)

しかし、著者らは、「グラフェンにスピン偏極電流を生成・注入することは、グラフェンを用いたスピントロニクスの開発にとって極めて重要である」という論文の展開において、解決しようとするいくつかの問題点を指摘しています。理論的には、グラフェンナノリボンは純粋なグラフェンとは異なり、ジグザグエッジに局所磁気モーメントをもつと予測されている。しかし、この磁気状態を抑制することが示されているエッジクラッタや不純物の存在によって、重要な制約が生じることになる。したがって、スピントロニクスデバイスの原型を実現するためには、グラフェンへの効率的なスピン注入が必要なのです」。明らかに研究者は、材料の不純物の問題を見つけます。私たちは、2011 年にさかのぼる記事の公開日を忘れてはなりません。後世になって、最高純度・最高品質のグラフェンを実現する技術や方法が開発され、科学文献でも広く取り上げられている（Konwar, S.; Dhapola , PS; Gupta, M.; Singh, RC; Singh, PK 2019 | Bu, Y.; Liang, H.; Gao, K. ; Zhang, B.; Zhang, X.; Shen, X.; Zhang, J. 2020 | Manoratne, CH; Rosa, SRD; Kottegoda, IRM 2017 | Rosillo-Lopez, M.; Salzmann, CG 2016 | Jasim, DA; Lozano, N.; Kostarelos, K. 2016 | Zhao, MQ; Zhang, Q .; Huang JQ; Tian GL; Chen TC; Qian WZ; Wei F. 2013）であった。明らかに、c0r0n@v大流行|rusの数年前から、この問題はすでに解決されていたので、スピントロニクス編集の精度の程度は非常に高くなると思われる。実際、グラフェン・スピントロニクスの本では、（Józsa, C. ; van-Wees, BJ 2019）には、「強磁性インジェクタと検出器を備えたグラフェン電界効果トランジスタにおけるスピンダイナミクス；グラフェンにおけるスピン輸送に関連する効果；フェルミレベルによる磁性の変化と静電ゲートによるスピン回転によりグラフェンを電子または正孔で密に充電して電界効果トランジスタ型デバイスを作成；グラフェンを2つの強磁性電極でコンタクトした2端子スピンバルブを通してスピン輸送を電気的に検出する方法。」が掲載されている。
実験のスピントロニクスデバイスを精緻化するために、2次元グラフェンシートを2つのコバルト・ニッケル強磁性電極の間に配置した。" この方法では、分極したスピン流は主に層間の結合によって支配される。さらに、グラフェンと平行に輸送が起こる面内電流の形状は、実験的にも理論的にも最もよく見られるデバイス構成である。このようなシステムでは、ソース電極とドレイン電極がFMコーティングされたグラフェン（強磁性材料）で構成されており、化学結合の性質によって混成し、複雑な電子構造になることがある。" 研究の場合、コバルト-ニッケルはグラフェンと強くハイブリッド化します。それでも、「界面での正しい電子状態を得て、デバイスのスピン偏極輸送特性を正確に解析するためには、詳細な原子構造を適切に評価することが極めて重要です。この問題の本質を考えると、接触時の化学的相互作用を正確に取り扱うために、ab-initio原子モデルを採用する必要があります」。この声明は、グラフェンの吸収特性を考慮すれば、磁場の変化、ひいては電磁波の放出を通じて、グラフェンの形で準原子レベルのナノトランジスタを動作させることができることを疑いの余地なく示している（Avdoshenko , SM; Ioffe, IN; Cuniberti, G. ; Dunsch, L.; Popov, AA 2011｜Ray, SC; Soin, N.; Makgato, T.; Chuang, CH; Pong, WF; Roy, SS; McLaughlin, JA 2014｜Hashmi, A.; Hong, J. 2014｜Wang、J, Xu, X., Mu, X., Ma, F., Sun, M. 2017）。一方、強磁性電極は、以下のスピントロニクスのための磁気抵抗研究から抽出されるように、通常、酸化グラフェンを補完する材料であるFe3O4またはマグネタイトを用いることもできることは注目に値する（Liao，ZM；Wu，HC，Wang JJ，Cross GL，Kumar，S． ; Shvets, IV; Duesberg, GS 2011｜Kharissova, O.V.; Garcia, BO; Kharisov, B. I.; Mendez, UO 2016｜ Tsuchiya, T.; Terabe, K.; Ochi, M.; Higuchi, T.; Bold, M.; Yamashita, Y.; Aono, M. 2016)をご参照ください。

その他の研究

Soriano, D.; Munoz-Rojas, F.; Fernández-Rossier, J.; Palacios, JJ 2010）では、「グラフェンナノリボンを低濃度で水素化すると、ナノリボンの特定の終端処理や不動態化にかかわらず、炭素ベースのスピントロニクス応用に向けてスペースを開くことができる」ことが分析されています。これは、水素がグラフェンと相互作用して、トランジスタを構成するのに必要な電極を構成し、トランジスタのモデルをさらに単純化できることを示唆していると考えられる。実際、このことは次の記述で確認されている。「密度汎関数理論計算では、吸着したH（水素）原子が周囲のπ軌道にスピン密度を誘導し、その対称性と局在化の程度がナノリボンの端までの距離に依存することが示されている。これに加えて、次のように書かれている。磁場の影響下で、水素化したAGNR（グラフェンナノリボン）は、H（水素）の濃度が小さい場合は希薄な常磁性半導体として振る舞う。高濃度では、スピン密度がどこでもゼロになるため、磁場の影響によりわずかな反磁性応答しか生じない。H（水素）原子が相互作用することで磁化の雲が生じる中間濃度では、十分に強い磁場をかけることでAF状態からF状態に切り替えることができる」。これは、グラフェン・トランジスタへの磁場の印加が、その無線プログラミングや、かなりの確率で機能・動作性能に影響を及ぼすことを示している。一方、水素電極はグラフェンの磁化を誘導することができ、これは記事で言及されている電磁気的特性を説明するものと考えられる（González-Herrero, H.; Gómez-Rodríguez, JM; Mallet, P.; Moaied, M.; Palacios , JJ; Salgado, C.; Brihuega, I. 2016）。

図3. 磁場によって変化する反強磁性状態a)と強磁性状態b)。電極として機能するグラフェンシートの端が水素化されており、トランジスタのモデルがさらに単純化されていることに注目。(Soriano, D.; Munoz-Rojas, F.; Fernández-Rossier, J.; Palacios, JJ 2010)

Li, L.; Qin, R.; Li, H.; Yu, L.; Liu, Q.; Luo, G.; Lu, J. 2011）の研究では、「高性能二次元スピントロニクスデバイスとしての機能化グラフェンの可能性」が分析されている。電極のコンフォメーションにおいて、片面にO（酸素）、もう片面にH（水素）を持つ機能化グラフェンは、有限バイアスで最大54%のスピンフィルター効率を持つ強磁性金属を形成することがわかった...スピンバルブは、強磁性状態を安定化するために磁場を導入することで制御される。その結果、室温での磁気抵抗は最大2200％となり、これは利用可能な実験値よりも一桁高い値です。" 彼らは最後に、「極薄グラフェンナノリボンスピントロニクスデバイスと比較して、機能化グラフェンは、製造技術への要求が少なく、より大きな電流を可能にし、競争力がある」と結論付けている。"
酸素原子と水素原子を導入したグラフェン・トランジスタの模式図

図4. 酸素原子と水素原子を用いたグラフェン・トランジスタの模式図。(Li, L.; Qin, R.; Li, H.; Yu, L.; Liu, Q.; Luo, G.; Lu, J. 2011）。

もう一つの研究対象は、量子ドットのスピン変化である。(Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018) によると、必要な計算値を符号化するために、スピンを切り替えて特性や値を変化させることが可能であるとのことです。これは、彼の次の発言に反映されています。「スピン縮退した量子ドットを介した量子輸送により、付着したナノ磁石に作用するスピン対をユニークに制御し、ナノ磁石をある配置から別の配置に効果的に変化させることができることを示す。」平行から反平行、そしてその逆もまた可能です。このことは、グラフェンやその誘導体を含むあらゆる種類の半導体をベースに、ナノエレクトロニクスやスピントロニクスを開発することが可能であることを示している。
印加電圧のバイアス電荷に依存したスピン開口角のスイッチング図

図5. 印加電圧のバイアス電荷に依存するスピン開口角のスイッチングダイアグラム。(Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018)

(Akram, KB; ul-Hassan, SM; Ahmed, A.; Hamayun, MA; Rafique, M.; Manzoor, S. 2020) による研究は、半導体トランジスタの組み立てに不可欠なAC (Alternating Current) において " 巨大 " 磁気伝導を有するという還元型グラフェン酸化物 rGO/Fe3O4 の特殊な特性を浮き彫りにしています。具体的には、「還元型酸化グラフェン（rGO）化合物とマグネタイトナノ粒子の構造、交流輸送、磁気輸送特性を、10 Hzから2 MHzの周波数範囲と500 mTまでの静磁場中で測定した」ものである。結論として、マグネタイトナノ粒子を40wt%添加した試料では、室温でのAC磁気伝導率が57%（af = 254kHz）、磁場B = 500mTで40%（af = 10Hz）であると述べています。これは、DC（直流）磁気輸送で得られるものよりもはるかに高く、類似化合物の室温磁気伝導率は、同等の磁場で通常10％以下である。" これは、電子がより高い抵抗率で動作できる2D単層グラフェン・トランジスタの効率に影響する。

意見

グラフェン・スピントロニクスは、ワクチンによって完璧に接種できるような回路やトランジスタをナノメートル単位で作成できることを示している。また、トランジスタなどのスピントロニクス部品を得るためには、磁気電極が必要であることも示されている。これによって、コロナウイルスワクチンを接種した人の磁気現象が、改めて説明されることになる。このほか、強磁性電極がFe3O4マグネタイトであることも示されている。これは、酸化グラフェンの典型的な組み合わせと一致し、その多数の用途、たとえば、大気へのエアロゾルの注入、エアロゲル、ヒドロゲル、がんに対するナノ粒子の治療など。遺伝子治療、薬剤の送達、殺生物剤、肥料、農薬、血液脳関門を突破する特殊な特性、磁場の形成など、これらの用途や特性を正当化する記事が引用されている酸化グラフェンとFe3O4のエアロゲルに関するエントリーをご覧ください。
これまでの分析から、スピントロニクスデバイスの組み立てに必要な材料（酸化グラフェンやFe3O4、あるいはまだ特定されていない他の材料）は、コロナウイルスワクチンに含まれ、食物、水、空気、生理食塩水などを通じて間接的に体内に導入されると仮定することが可能であろう。しかし、当該物質を、その運用能力を発揮するために組み立てることができるナノテクノロジーやナノボットが存在するかどうかは、まだ解明されていない。これは、材料が電磁場を通じて、" Teslaphoresis "." (Bornhoeft, LR; Castillo, AC; Smalley, PR; Kittrell, C.; James, DK; Brinson, BE; Cherukuri, P. 2016) によって自己集合できる可能性を排除していないカーボンナノチューブ、そのための電磁場または電極間の電位差を生成するテスラコイルを必要とする磁気運動は、実験のビデオを参照してください。明らかに牛のテスラは、5Gの電磁波で置き換えられる可能性があります。マグネタイトFe3O4などの強磁性体の存在や、ナノメートル電極のメカニズムが実証されれば、ワクチンの水溶液に含まれるため、ナノ物質の特定の順序は必要ないため、この理論は検証の兆しが見えるかもしれない。このため、ワクチン中の内容物、材料、観察可能な要素について、予備的研究ですでに言及されたものに対する決定的な研究が非常に重要である（Campra, P. 2021）。
スピントロニクスデバイスの利用可能性が非常に高いと仮定すると、この技術の能力と可能性について考察する価値があります。トランジスタと回路がデバイスを識別する機能を持つことは論理的だと思われるが、これはネットワークに接続するための一意の48ビット識別子であるMAC（Media Access Control）アドレスであろう。もちろん、ネットワーク機器があれば、それを接続したり、少なくともリンクさせたりする仕組みが必要です。そのためには、信号を変調して送信する無線装置と、デジタルシグナルプロセッサとリンクコントローラを備えた基本的なCPUの形をしたコントローラが必要です。通常、ブルートゥースで接続される多くの電子機器はこれらの要件を満たしており、このため、グラフェン・トランジスタもIOT（Internet of Things）と同じようにネットワークに接続できると仮定することが可能である。実際、Yang, X., Liu, G., Balandin, AA and Mohanram, K. 2010によれば、「アナログ回路におけるバイアスのキーコンセプトを用いたシングルトランジスタのグラフェン増幅器」を実現することに成功している... ユニポーラ素子による従来の増幅器と比べて、提案するシングルトランジスタの増幅器では動作中に3種類のモード間でスイッチできるため、フィールドでの制御性がより高い。また、グラフェン・トランジスタは、変調技術や符号化技術を使って、他のデバイスとの通信やリンクを確立できることを示し、「PSK（フェーズシフトキーイング）とFSK（周波数シフトキーイング）はともに重要なデジタル変調技術である」と付け加えている。PSKはBluetooth、RFID（Radio Frequency Identification）、Zig-Beeなどの無線アプリケーションで広く使用され、FSKはラジオやオーディオシステムでよく使用される」と述べています。この研究（Yang, X., Liu, G., Balandin, AA and Mohanram, K. 2010）のもう一つの関連する詳細は、開発したトランジスタの動作信号周波数である4、8、10KHzである。これらのデータは、グラフェン・スピントロニック・トランジスタのさらなる研究に利用できるだろう。他の著作も、グラフェンを用いた無線ナノトランシーバの開発（Iannazzo-Soteras, ME 2017）や、グラフェンを用いた生体検知用トランジスターの開発をサポートしている
その他、グラフェンを用いた無線ナノトランシーバの開発（Iannazzo-Soteras, ME 2017）や、Bluetoothで接続したバイオメディカル用のグラフェンを用いた生体検出トランジスタ（Arora, K. 2019）なども支持されています。

参考文献

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