Elektrische stromen drijven al onze elektronische apparaten aan. Het opkomende gebied van spintronica lijkt elektrische stromen te vervangen door wat bekend staat als spinstromen. Onderzoekers van de Universiteit van Tokyo hebben op dit gebied een doorbraak bereikt. Hun ontdekking van het magnetische spin Hall-effect zou kunnen leiden tot een laag vermogen, apparaten met hoge snelheid en hoge capaciteit. Ze hebben voorbeeldapparaten gemaakt die verder onderzoek kunnen doen naar mogelijke toepassingen.

"Elektriciteit verlichtte de wereld en elektronica verbond haar, " zegt professor Yoshichika Otani van het Institute for Solid State Physics. "Spintronica zal de volgende stap voorwaarts zijn in deze processie en we kunnen ons alleen maar voorstellen welke vooruitgang het kan brengen."

Dus wat is spintronica en waarom zouden we enthousiast moeten zijn?

"In wezen wordt spintronica gebruikt om informatie over te dragen, iets waar we altijd elektrische stromen voor hebben gebruikt, " vervolgt Otani, "maar spintronics biedt een hele reeks voordelen, waarvan we sommige nu pas beginnen te begrijpen."

Momenteel, energie-efficiëntie van elektrische en elektronische apparaten is een beperkende factor in de technologische ontwikkeling. Het probleem ligt in de aard van elektrische stromen, de stroom van lading in de vorm van elektronen. Terwijl elektronen een circuit doorlopen, verliezen ze wat energie als afvalwarmte. Spintronica verbetert de situatie - in plaats van beweging maakt het gebruik van een andere eigenschap van elektronen om informatie over te dragen, hun impulsmoment of "spin".

"In spinstromen bewegen elektronen nog steeds, maar veel minder dan in een laadstroom, " legt Otani uit. "Het is de beweging van elektronen die typisch leidt tot weerstand en afvalwarmte. Omdat we de behoefte aan zoveel elektronenbeweging verminderen, verbeteren we de efficiëntie drastisch."

Om dit fenomeen aan te tonen, creëerden onderzoekers een nieuw soort materiaal genaamd een 'niet-collineaire antiferromagneet' - Mn3Sn, een speciaal soort magneet. In alledaagse magneten - of ferromagneten - zoals je die misschien op koelkastdeuren aantreft, de spins van de elektronen binnenin worden parallel uitgelijnd, wat het materiaal doordrenkt met zijn magnetische effect. In deze antiferromagneet staan ​​de spins van de elektronen in driehoekige opstellingen, zodat geen enkele richting overheerst en het magnetische effect effectief wordt onderdrukt.

Wanneer een kleine elektrische stroom in Mn3Sn wordt gevoerd en er op de juiste manier een magnetisch veld op wordt aangelegd, de elektronen ordenen zichzelf volgens hun spin en elektrische stroomstromen. Dit is het magnetische spin Hall-effect, en het proces kan worden omgekeerd met het magnetische inverse spin Hall-effect om een ​​elektrische stroom te krijgen van een spinstroom.

In Mn3Sn hebben gelijkaardige spins de neiging zich op te hopen op het oppervlak van het materiaal, dus het wordt in dunne lagen gesneden om het oppervlak te maximaliseren en dus de capaciteit van de spinstroom die een monster draagt. De onderzoekers hebben dit materiaal al ingebed in een functioneel apparaat om als testbed te dienen voor mogelijke toepassingen en zijn enthousiast over de vooruitzichten.

"Energie-efficiëntie in elektrische systemen is genoeg om de interesse van sommigen te wekken, maar het gebruik van antiferromagneten om spinstromen te genereren zou ook andere aspecten van technologie kunnen verbeteren, ", zegt Otani. "Antiferromagneten zijn gemakkelijker te miniaturiseren, werken bij hogere frequenties en pakken dichter op elkaar dan ferromagneten."

Maar hoe vertalen deze ideeën zich in toepassingen?

"Miniaturisatie betekent dat spintronische apparaten tot microchips kunnen worden gemaakt, " vervolgt Otani. "Hoge frequenties betekenen dat spintronische chips beter kunnen presteren dan elektronische chips in bedrijfssnelheid, en een hogere dichtheid leidt tot een grotere geheugencapaciteit. Ook een lage dissipatie in spinstromen bij kamertemperatuur verbetert de energie-efficiëntie nog verder."

Apparaten die gebaseerd zijn op het traditionele spin-Hall-effect bestaan ​​al in spintronica-onderzoek, maar het magnetische spin-Hall-effect en de nieuwe materialen die worden gebruikt, kunnen allerlei soorten technologie enorm verbeteren.

"Er is nog veel werk te doen, inclusief het onderzoeken van de onderliggende principes achter het fenomeen dat we onderzoeken, " concludeert Otani. "Gedreven door mysteries van exotische materialen, Ik vind het geweldig om deel uit te maken van deze technologische revolutie."