Moderne computertechnologie is gebaseerd op het transport van elektrische lading in halfgeleiders. Maar het potentieel van deze technologie zal in de nabije toekomst zijn grenzen bereiken, aangezien de ingezette componenten niet verder kunnen worden geminiaturiseerd. Maar, er is nog een andere optie:de spin van een elektron gebruiken, in plaats van zijn lading, informatie over te dragen. Een team van wetenschappers uit München en Kyoto demonstreert nu hoe dit werkt.

Computers en mobiele apparaten bieden steeds meer functionaliteit. De basis voor deze prestatiestijging is de steeds verdergaande miniaturisering. Echter, er zijn fundamentele grenzen aan de mate van miniaturisering die mogelijk is, wat betekent dat willekeurige verkleiningen niet mogelijk zijn met halfgeleidertechnologie.

Zo werken onderzoekers over de hele wereld aan alternatieven. Een bijzonder veelbelovende aanpak is de zogenaamde spin-elektronica. Dit maakt gebruik van het feit dat elektronen bezitten, naast opladen, impulsmoment - de spin. De experts hopen deze eigenschap te gebruiken om de informatiedichtheid en tegelijkertijd de functionaliteit van toekomstige elektronica te vergroten.

Samen met collega's van de Universiteit van Kyoto in Japan hebben wetenschappers van het Walther-Meißner-Instituut (WMI) en de Technische Universiteit van München (TUM) in Garching nu het transport van spin-informatie bij kamertemperatuur in een opmerkelijk materiaalsysteem aangetoond.

Een unieke grenslaag

In hun experiment hebben ze demonstreerden de productie, transport en detectie van elektronische spins in de grenslaag tussen de materialen lanthaan-aluminaat (LaAlO2) en strontium-titanaat (SrTiO3). Wat dit materiaalsysteem uniek maakt, is dat een extreem dun, op het grensvlak tussen de twee niet-geleidende materialen vormt zich een elektrisch geleidende laag:een zogenaamd tweedimensionaal elektronengas.

Het Duits-Japanse team heeft nu aangetoond dat dit tweedimensionale elektronengas niet alleen lading, maar ook draaien. "Om dit te bereiken moesten we eerst een aantal technische hindernissen nemen, " zegt dr. Hans Hübl, wetenschapper bij de leerstoel voor technische fysica aan de TUM en adjunct-directeur van het Walther-Meißner-Instituut. "De twee belangrijkste vragen waren:hoe kan spin worden overgedragen naar het tweedimensionale elektronengas en hoe kan het transport worden bewezen?"

Informatietransport via spin

De wetenschappers losten het probleem van spinoverdracht op met behulp van een magnetisch contact. Microgolfstraling dwingt zijn elektronen in een precessiebeweging, analoog aan de wiebelende beweging van een tol. Net als bij een topje, deze beweging duurt niet eeuwig, maar liever, verzwakt in de tijd - in dit geval door zijn spin op het tweedimensionale elektronengas te geven.

Het elektronengas transporteert vervolgens de spin-informatie naar een niet-magnetisch contact dat zich één micrometer naast het contact bevindt. Het niet-magnetische contact detecteert het spintransport door de spin te absorberen, daarbij een elektrisch potentiaal opbouwen. Door dit potentieel te meten, konden de onderzoekers het transport van spin systematisch onderzoeken en de haalbaarheid aantonen van het overbruggen van afstanden tot honderd keer groter dan de afstand van de huidige transistors.

Op basis van deze resultaten, het team van wetenschappers onderzoekt nu in hoeverre spin-elektronische componenten met nieuwe functionaliteit kunnen worden geïmplementeerd met behulp van dit materiaalsysteem.