Als je geleidende draden dunner maakt, gaat hun elektrische weerstand omhoog. Dit is de wet van Ohm en die is over het algemeen juist. Een belangrijke uitzondering is bij zeer lage temperaturen, waar de mobiliteit van elektronen toeneemt wanneer draden zo dun worden dat ze in feite tweedimensionaal zijn. Nu hebben natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen, samen met collega's van de Universiteit van Brest, waargenomen dat iets soortgelijks gebeurt met de geleidbaarheid van magnons, spingolven die door magnetische isolatoren reizen, net als een golf door een stadion. De toename in geleidbaarheid was spectaculair en trad op bij kamertemperatuur. Deze waarneming is gepubliceerd in Nature Materials op 22 sept.

Elektronen hebben een magnetisch moment, spin genaamd, dat een waarde heeft van "omhoog" of "omlaag". Het is mogelijk om één soort spin te accumuleren door een stroom door een zwaar metaal, zoals platina, te sturen. Wanneer die spins gedragen door elektronen de magnetische isolator YIG (yttrium-ijzer-granaat) tegenkomen, kunnen de elektronen er niet doorheen. Op het raakvlak met YIG wordt echter de spin-excitatie doorgegeven:magnons (die ook spin kunnen dragen) worden geëxciteerd. Deze spingolven gaan als een golf in een stadion door de magnetische isolator:geen van de elektronen (de 'toeschouwers') beweegt van hun plaats, maar ze geven desalniettemin de spin-excitatie door. Bij de detectorelektrode gebeurt het omgekeerde:de magnonen maken elektronische spins, die vervolgens een elektrische spanning produceren die meetbaar is, vertelt Bart van Wees, hoogleraar Technische Natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen en specialist op het gebied van bijvoorbeeld spintronica.

Gemotiveerd door de toename van elektronenmobiliteit in 2D-materialen, besloot zijn groep om magnontransport te testen in ultradunne (nanometers) YIG-films. "Deze films zijn geen strikt 2D-materiaal, maar als ze dun genoeg zijn, kunnen de magnons maar tweedimensionaal bewegen", legt Van Wees uit. De metingen, uitgevoerd door Ph.D. student Xiangyang Wei, produceerde een verrassend resultaat:de spingeleiding steeg met drie ordes van grootte, in vergelijking met YIG-bulkmateriaal.

Dramatische effecten

Wetenschappers gebruiken termen als 'reus' niet lichtvaardig, maar in dit geval was het volledig gerechtvaardigd, zegt Van Wees. "We hebben het materiaal 100 keer dunner gemaakt en de magnon-geleidbaarheid ging tot 1000 keer omhoog. En dit gebeurde niet bij lage temperaturen, zoals vereist is voor een hoge elektronenmobiliteit in 2D-geleiders, maar bij kamertemperatuur." Dit resultaat was onverwacht en tot nu toe onverklaarbaar. Van Wees:"In onze paper geven we een voorlopige theoretische verklaring die is gebaseerd op de overgang van 3D naar 2D magnontransport. Maar dat kan de dramatische effecten die we waarnemen niet volledig verklaren."

Dus wat kan er worden gedaan met deze gigantische magnon-geleiding? "We snappen er niets van", zegt Van Wees. "Daarom zijn onze huidige claims beperkt. Dit maakt onderzoek mogelijk dat de weg kan wijzen naar nieuwe, nog onontdekte fysica. Op de lange termijn kan dit ook nieuwe apparaten opleveren." Eerste auteur Xiangyang Wei voegt toe:"Omdat er geen elektronentransport bij betrokken is, produceren de magnongolven geen conventionele warmteafvoer. En warmteproductie is een groot probleem in steeds kleinere elektronische apparaten."

Supergeleiding

En aangezien magnonen bosonen zijn (d.w.z. ze hebben integer spin-quantumwaarden), zou het mogelijk kunnen zijn om een ​​coherente toestand te creëren die vergelijkbaar is met een Bose-Einstein-condensaat. Van Wees:"Hierdoor kan zelfs spin-supergeleiding ontstaan." Dit alles is voor de toekomst. Voorlopig is de gigantische magnon-geleiding in YIG goed gedocumenteerd. "De metingen zijn duidelijk. We kijken uit naar een goede samenwerking van theoretisch fysici en experimentatoren." + Verder verkennen

Praktische spingolftransistor een stap dichterbij