Ingenieurs aan de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben vooruitgang gemeld in zogenaamde "spintronische" apparaten die zullen helpen leiden tot een nieuwe technologie voor computers en gegevensopslag. Ze hebben methoden ontwikkeld om signalen te detecteren van spintronische componenten gemaakt van goedkope metalen en silicium, die een belangrijke barrière overwint voor een brede toepassing van spintronica. Voorheen waren dergelijke apparaten afhankelijk van complexe structuren die zeldzame en dure metalen zoals platina gebruikten. De onderzoekers werden geleid door Sandeep Kumar, een assistent-professor werktuigbouwkunde.

Spintronic-apparaten beloven grote problemen in de elektronische computers van vandaag op te lossen, in die zin dat de computers enorme hoeveelheden elektriciteit gebruiken en warmte genereren waarvoor nog meer energie nodig is voor koeling. Daarentegen, spintronische apparaten genereren weinig warmte en verbruiken relatief minuscule hoeveelheden elektriciteit. Spintronic-computers zouden geen energie nodig hebben om gegevens in het geheugen te bewaren. Ze zouden ook onmiddellijk starten en het potentieel hebben om veel krachtiger te zijn dan de computers van vandaag.

Terwijl elektronica afhankelijk is van de lading van elektronen om de binaire enen of nullen van computergegevens te genereren, spintronica hangt af van de eigenschap van elektronen die spin worden genoemd. Spintronische materialen registreren binaire gegevens via de "omhoog" of "omlaag" spinoriëntatie van elektronen - zoals het noorden en zuiden van staafmagneten - in de materialen. Een belangrijke belemmering voor de ontwikkeling van spintronica-apparaten is het genereren en detecteren van de oneindig kleine elektrische spinsignalen in spintronische materialen.

In een paper gepubliceerd in het januarinummer van het wetenschappelijke tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , Kumar en collega's rapporteerden een efficiënte techniek voor het detecteren van de spinstromen in een eenvoudige tweelaagse sandwich van silicium en een nikkel-ijzerlegering genaamd Permalloy. Alle drie de componenten zijn zowel goedkoop als overvloedig en zouden de basis kunnen vormen voor commerciële spintronische apparaten. Ze werken ook bij kamertemperatuur. De lagen zijn gemaakt met de veelgebruikte elektronicaproductieprocessen die sputteren worden genoemd. Co-auteurs van het papier waren afgestudeerde studenten Ravindra Bhardwaj en Paul Lou.

In hun experimenten, de onderzoekers verwarmden één kant van de Permalloy-silicium dubbellaagse sandwich om een ​​temperatuurgradiënt te creëren, die een elektrische spanning opwekte in de dubbellaag. De spanning was het gevolg van een fenomeen dat bekend staat als het spin-Seebeck-effect. De ingenieurs ontdekten dat ze de resulterende "spinstroom" in de dubbellaag konden detecteren vanwege een ander fenomeen dat bekend staat als het "inverse spin-Hall-effect".

De onderzoekers zeiden dat hun bevindingen van toepassing zullen zijn op efficiënte magnetische schakelingen in computergeheugens, en "deze wetenschappelijke doorbraken kunnen een impuls geven" aan de ontwikkeling van dergelijke apparaten. Breder, zij concludeerden, "Deze resultaten brengen het alomtegenwoordige Si (silicium) op de voorgrond van spintronica-onderzoek en zullen de basis leggen voor energiezuinige Si-spintronica en Si-spincaloritronica-apparaten."

In twee andere wetenschappelijke artikelen, de onderzoekers toonden aan dat ze een sleuteleigenschap konden genereren voor spintronica-materialen, antiferromagnetisme genoemd, in silicium. De prestatie opent een belangrijke weg naar commerciële spintronica, zeiden de onderzoekers, aangezien silicium goedkoop is en kan worden vervaardigd met behulp van een volwassen technologie met een lange geschiedenis van toepassing in de elektronica.

Ferromagnetisme is het eigendom van magnetische materialen waarin de magnetische polen van de atomen in dezelfde richting zijn uitgelijnd. In tegenstelling tot, antiferromagnetisme is een eigenschap waarbij de naburige atomen magnetisch in tegengestelde richtingen zijn georiënteerd. Deze "magnetische momenten" zijn te wijten aan de spin van elektronen in de atomen, en staat centraal bij de toepassing van de materialen in spintronica.

In de twee kranten Kumar en Lou meldden het detecteren van antiferromagnetisme in de twee soorten silicium - n-type en p-type genoemd - die worden gebruikt in transistors en andere elektronische componenten. N-type halfgeleidersilicium is "gedoteerd" met stoffen die ervoor zorgen dat het een overvloed aan negatief geladen elektronen heeft; en p-type silicium is gedoteerd om een ​​grote concentratie positief geladen "gaten" te hebben. Door de twee typen te combineren, kan stroom worden geschakeld in apparaten zoals transistors die worden gebruikt in computergeheugens en andere elektronica.

In de krant in de Journal of Magnetism and Magnetic Materials , Lou en Kumar rapporteerden het detecteren van het spin-Hall-effect en antiferromagnetisme in n-silicium. Hun experimenten gebruikten een meerlagige dunne film bestaande uit palladium, nikkel-ijzer Permalloy, mangaanoxide en n-silicium.

En in de tweede krant in het wetenschappelijke tijdschrift fysieke status solidi , ze meldden detectie in p-silicium spin-gedreven antiferromagnetisme en een overgang van silicium tussen metaal- en isolatoreigenschappen. Die experimenten gebruikten een dunne film vergelijkbaar met die met het n-silicium.

De onderzoekers schreven in het laatste artikel dat "Het waargenomen optredende antiferromagnetische gedrag de basis kan leggen van Si (silicium) spintronica en elk veld met Si-dunne films kan veranderen. Deze experimenten presenteren ook potentiële elektrische controle van magnetisch gedrag met behulp van eenvoudige halfgeleiderelektronica-fysica. De waargenomen grote verandering in weerstand en dopingafhankelijkheid van fasetransformatie stimuleert de ontwikkeling van antiferromagnetische en faseverandering spintronica-apparaten."

In vervolgonderzoeken Kumar en zijn collega's ontwikkelen technologie om spinstromen in de materialen aan en uit te schakelen, met als uiteindelijk doel een spintransistor te creëren. Ze werken ook aan het genereren van grotere, spintronic-chips met een hoger voltage. Het resultaat van hun werk kan extreem laag vermogen zijn, compacte zenders en sensoren, evenals energiezuinige gegevensopslag en computergeheugens, zei Kumar.