Spintronics is veelbelovend voor toekomstige elektronische apparaten met een laag vermogen. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen die het best kan worden voorgesteld als elektronen die om hun eigen as draaien, waardoor ze zich gedragen als kleine kompasnaalden. Een stroom van elektronenspins zou in elektronische apparaten kunnen worden gebruikt. Echter, om een ​​geschikte spinstroom te genereren, je hebt een relatief grote magneet nodig. Er is een alternatieve methode voorgesteld die een speciaal type molecuul gebruikt, maar de grote vraag is of het werkt. Rijksuniversiteit Groningen Ph.D. student Xu Yang heeft een theoretisch model geconstrueerd dat beschrijft hoe deze nieuwe methode getest kan worden.

Spin kan twee richtingen hebben, meestal aangeduid als "omhoog" en "omlaag". In een normale elektronenstroom, er zijn gelijke hoeveelheden van beide spinrichtingen, maar het gebruik van spin om informatie over te dragen vereist een overschot van één richting. Dit wordt meestal gedaan door elektronen in een spintronisch apparaat te injecteren via een ferromagneet, wat de doorgang van één type spin bevordert. "Maar ferromagneten zijn omvangrijk in vergelijking met de andere componenten, " zegt Yang.

DNA

Dat is de reden waarom een ​​doorbraak uit 2011 die werd gepubliceerd in Wetenschap trekt steeds meer aandacht. Dit artikel meldde dat het leiden van een stroom door een monolaag van dubbele DNA-helices één type spin zou bevorderen. De DNA-moleculen zijn chiraal, wat betekent dat ze in twee vormen kunnen bestaan, namelijk spiegelbeelden, als een linker- en rechterhand. Het fenomeen werd "chiraal geïnduceerde spin-selectiviteit" (CISS) genoemd. en de afgelopen jaren er zijn verschillende experimenten gepubliceerd die dit CISS-effect zouden aantonen, zelfs in elektronische apparaten.

"Maar we waren er niet zo zeker van, " legt Yang uit. Eén type experiment gebruikte een monolaag van DNA-fragmenten, terwijl een ander een atoomkrachtmicroscoop gebruikte om de stroom door afzonderlijke moleculen te meten. In de experimenten werden verschillende chirale helices gebruikt. "De modellen die verklaren waarom deze moleculen een van de spins zouden bevoordelen, maakten veel aannames, bijvoorbeeld, over de vorm van de moleculen en het pad dat de elektronen hebben afgelegd."

Circuits

Dus ging Yang op zoek naar een generiek model om te beschrijven hoe spins door verschillende circuits zouden gaan onder een lineair regime (d.w.z. het regime waarin elektronische apparaten werken). "Deze modellen waren gebaseerd op universele regels, onafhankelijk van het type molecuul, " legt Yang uit. Een van die regels is ladingbehoud, waarin staat dat elk elektron dat een circuit binnenkomt er uiteindelijk uit moet. Een tweede regel is wederkerigheid, waarin staat dat als je de rollen van de spannings- en stroomcontacten in een circuit verwisselt, het signaal moet hetzelfde blijven.

Volgende, Yang beschreef hoe deze regels de transmissie en reflectie van spins in verschillende componenten zouden beïnvloeden, bijvoorbeeld, een chiraal molecuul en een ferromagneet tussen twee contacten. De universele regels stelden hem in staat om te berekenen wat er met de spins in deze componenten gebeurde. Vervolgens gebruikte hij de componenten om complexere circuits te modelleren. Hierdoor kon hij berekenen wat hij kon verwachten als de chirale moleculen het CISS-effect vertoonden en wat hij kon verwachten als dat niet het geval was.

Overtuigend

Toen hij de tot dusver gepubliceerde CISS-experimenten modelleerde, Yang ontdekte dat sommige zijn, inderdaad, niet eenduidig. "Deze experimenten zijn niet overtuigend genoeg. Ze laten geen verschil zien tussen moleculen met en zonder CISS, althans niet in het lineaire regime van elektronische apparaten." elk apparaat dat slechts twee contacten gebruikt, zal het bestaan ​​van CISS niet bewijzen. Het goede nieuws is dat Yang circuits heeft ontworpen met vier contacten waarmee wetenschappers het CISS-effect in elektronische apparaten kunnen detecteren. "Ik ben momenteel ook bezig met zo'n circuit, maar omdat het bestaat uit moleculaire bouwstenen, dit is een hele uitdaging."

Door zijn model nu te publiceren, Yang hoopt dat meer wetenschappers zullen beginnen met het bouwen van de circuits die hij heeft voorgesteld, en zal eindelijk het bestaan ​​van CISS in elektronische apparaten kunnen bewijzen. "Dit zou een grote bijdrage zijn aan de samenleving, omdat het een geheel nieuwe benadering van de toekomst van elektronica mogelijk maakt."