Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen zijn erin geslaagd de stroom van spingolven door een magneet te veranderen, alleen elektrische stroom gebruiken. Dit is een enorme stap in de richting van de spin-transistor die nodig is om spintronische apparaten te bouwen. Deze beloven veel energiezuiniger te zijn dan conventionele elektronica. De resultaten zijn op 2 maart gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen. Simpel gezegd, het zorgt ervoor dat elektronen zich gedragen als kleine magnetische kompasnaalden die naar boven of naar beneden kunnen wijzen. Dit kan worden gebruikt om informatie over te dragen of op te slaan, het creëren van spintronische apparaten die verschillende voordelen beloven ten opzichte van normale micro-elektronica.

Op een conventionele computer, voor dataopslag (vaak met behulp van een magnetisch proces) en dataverwerking (elektronische transistors) zijn aparte apparaten nodig. Spintronics zou beide in één apparaat kunnen integreren, het zou dus niet langer nodig zijn om informatie tussen opslag- en verwerkingseenheden te verplaatsen. Verder, spins kunnen op een niet-vluchtige manier worden opgeslagen, wat betekent dat hun opslag geen energie vereist, in tegenstelling tot normaal RAM-geheugen. Dit alles betekent dat spintronics mogelijk snellere en energiezuinigere computers zou kunnen maken.

Golf

Om dit te realiseren, er moeten veel stappen worden gezet en er moet veel fundamentele kennis worden opgedaan. De groep Physics of Nano Devices van natuurkundehoogleraar Bart van Wees van het Zernike Institute of Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen loopt voorop op dit gebied. In hun laatste krant ze presenteren een spin-transistor op basis van magnonen. Magnonen, of spingolven, zijn een soort golf die alleen voorkomt in magnetische materialen. 'Je kunt magnons zien als een golf, of een deeltje, zoals elektronen', legt Ludo Cornelissen uit, Promovendus in de Van Wees-groep en eerste auteur van het artikel.

In hun experimenten, Cornelissen en Van Wees genereren magnonen in materialen die magnetisch zijn, maar ook elektrisch isolerend. Elektronen kunnen niet door de magneet reizen, maar de spingolven kunnen - net zoals een golf in een stadion beweegt terwijl de toeschouwers allemaal op hun plaats blijven. Cornelissen gebruikte een strook platina om magnonen in een magneet van yttrium-ijzer-granaat (YIG) te injecteren. 'Als een elektronenstroom door de strip gaat, elektronen worden verstrooid door de interactie met de zware atomen, een proces dat het spin Hall-effect wordt genoemd. De verstrooiing hangt af van de spin van deze elektronen, dus elektronen met spin up en spin down worden gescheiden.'

Draai omdraaien

Op het grensvlak van platina en YIG, de elektronen kaatsen terug omdat ze de magneet niet kunnen binnendringen. 'Wanneer dit gebeurt, hun spin flips van boven naar beneden, of vice versa. Echter, dit veroorzaakt een parallelle spin-flip in de YIG, die een magnon creëert.' De magnonen reizen door het materiaal en kunnen worden gedetecteerd met een tweede platinastrip.

'We hebben dit spintransport door een magneet enige tijd geleden beschreven. Nutsvoorzieningen, we hebben de volgende stap gezet:we wilden invloed uitoefenen op het transport.' Dit werd gedaan met behulp van een derde platinastrip tussen injector en detector. Door een positieve of negatieve stroom aan te leggen, het is mogelijk om extra magnonen in het geleidingskanaal te injecteren of er magnonen uit af te tappen. 'Dat maakt onze opstelling analoog aan een veldeffecttransistor. In zo'n transistor een elektrisch veld van een poortelektrode vermindert of verhoogt het aantal vrije elektronen in het kanaal, dus het afsluiten of opvoeren van de stroom.'

Cornelissen en zijn collega's laten zien dat het toevoegen van magnonen de spinstroom verhoogt, terwijl het aftappen ervan een aanzienlijke vermindering veroorzaakt. 'Hoewel we de magnonstroom nog niet helemaal konden uitschakelen, dit apparaat werkt als een transistor', zegt Cornelissen. Theoretische modellering toont aan dat het verminderen van de dikte van het apparaat de uitputting van magnons voldoende kan verhogen om de magnonstroom volledig te stoppen.

Supergeleiding

Maar er is nog een andere interessante optie, Bart van Wees, begeleider van Cornelissen:'In een dunner apparaat, het zou mogelijk zijn om de hoeveelheid magnonen in het kanaal te verhogen tot een niveau waarop ze een Bose-Einstein-condensaat zouden vormen.' Dit is het fenomeen dat verantwoordelijk is voor supergeleiding. En het komt voor bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot normale supergeleiding, die alleen bij zeer lage temperaturen optreedt.

De studie toont aan dat een YIG-spintransistor kan worden gemaakt, en dat dit materiaal op den duur zelfs een spin-supergeleider zou kunnen produceren. Het mooie van het systeem is dat spin-injectie en controle van spinstromen wordt bereikt met een eenvoudige gelijkstroom, waardoor deze spintronic-apparaten compatibel zijn met normale elektronica. 'Onze volgende stap is kijken of we deze belofte kunnen waarmaken', concludeert Van Wees.