De stroom van elektrische lading ligt in het hart van elektronische circuits. Echter, elektronen hebben ook spin, en stromen van elektronenspin spelen een vitale rol in spintronische circuits. Deze kunnen essentieel zijn voor onze toekomstige computertechnologieën. Een actueel probleem met traditionele spintronische materialen zoals magnetische materialen is dat ze gevoelig zijn voor elektromagnetische velden, die spinstromen kunnen verstoren. Daarom, niet-magnetische materialen die resistent zijn tegen deze velden zijn een aantrekkelijk alternatief. Rembert Duine van de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Utrecht hebben samen met Andreas Rückriegel van de Universiteit Utrecht een nieuwe theorie ontwikkeld om spintransport in niet-magnetische materialen te bestuderen. Deze theorie kan helpen bij het ontwerpen en ontwikkelen van nieuwe materialen voor toekomstige spintronische toepassingen.

Sinds de jaren 1990, spintronics loopt voorop bij ontwikkelingen op het gebied van technologieën, variërend van harde schijven tot smartphones. Elektronische circuits gebruiken elektronenlading om informatie te verwerken waarbij lading een één kan zijn en de afwezigheid van lading een nul. Spintronische circuits gebruiken elektronenspin om informatie te dragen en spin kan "omhoog" of "omlaag" zijn. In spintronica, deze twee spintoestanden vertegenwoordigen enen en nullen. Deze spins genereren kleine magnetische velden en wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld, spins kunnen worden gedwongen om in één richting uit te lijnen. De uitlijning van deze spins in het materiaal wordt ondersteund door spingolven, ook wel magnonen genoemd.

Typisch, spintronische circuits zijn gebaseerd op magnetische isolatoren die geen elektrische lading geleiden maar spin kunnen transporteren. Echter, elektromagnetische velden kunnen de oriëntatie van de spin verstoren en tot instabiliteit leiden. Anderzijds, niet-magnetische materialen worden niet beïnvloed door elektromagnetische velden, wat betekent dat ze op betrouwbare wijze spin-informatie kunnen overbrengen. In plaats van magnonen, spin-informatie kan worden verzonden in niet-magnetische materialen met behulp van fononen, dat zijn quasideeltjes die betrokken zijn bij de overdracht van trillingsgolven door materialen. Rembert Duine, hoogleraar bij de faculteit Technische Natuurkunde (TU/e) en aan de Universiteit Utrecht, hebben samen met Andreas Rückriegel van de Universiteit Utrecht een nieuwe theorie ontwikkeld om de voortplanting van spin via fononen door niet-magnetische materialen te bestuderen.

Modeldetails

In hun nieuwe model Duine en Rückriegel sandwichen een niet-magnetisch materiaal tussen twee magnetische materialen. Links van het niet-magnetische materiaal wordt een door magnonen gedragen spinstroom opgewekt in magnetisch materiaal. Wanneer de spinstroom de interface bereikt, het interageert met de spins in het niet-magnetische materiaal, wat leidt tot een fonon-gereguleerde spinstroom door het niet-magnetische materiaal. Wanneer de fononstroom de tweede niet-magnetische materiaal/magnetische interface bereikt, de fonon-spinstroom veroorzaakt een magnonstroom in het magnetische materiaal aan de rechterkant.

"Het model laat zien dat interacties tussen spins in de magnetische isolatoren en fononen in het niet-magnetische materiaal een spinstroom tussen de magneten mogelijk maken die door de niet-magnetische isolator beweegt die de magneten scheidt", zegt Duine. belangrijk, de resulterende fonon-spinstroom zorgt voor spin-overdracht van de ene magneet naar de andere over afstanden op millimeterschaal. "Ons model is slechts de eerste stap. Dit moet experimenteel worden geverifieerd, maar dit zou in de toekomst praktische implicaties kunnen hebben voor elektrisch aangedreven spintronische apparaten", voegt Duine toe.

Dit werk is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ) en te zien in "Physics" - de online, gratis tijdschrift van de American Physical Society.