Onderzoekers van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) en de Universiteit van Cambridge in het VK hebben aangetoond dat het mogelijk is om direct een elektrische stroom in een magnetisch materiaal te genereren door de magnetisatie ervan te roteren.

De bevindingen onthullen een nieuw verband tussen magnetisme en elektriciteit, en kan toepassingen hebben in de elektronica.

De door de onderzoekers gedemonstreerde elektrische stroomopwekking wordt ladingspompen genoemd. Ladingpompen vormen een bron van zeer hoogfrequente elektrische wisselstromen, en zijn grootte en externe magnetische veldafhankelijkheid kunnen worden gebruikt om magnetische informatie te detecteren.

De bevindingen kunnen, daarom, nieuwe en opwindende manieren bieden voor het overbrengen en manipuleren van gegevens in elektronische apparaten op basis van spintronica, een technologie die elektronenspin gebruikt als basis voor informatieopslag en manipulatie.

De onderzoeksresultaten worden gepubliceerd als Advance Online Publication (AOP) op: Natuur Nanotechnologie website van 10 november 2014.

Spintronica is al gebruikt in magnetische massa-gegevensopslag sinds de ontdekking van het gigantische magnetoweerstandseffect (GMR) in 1988. Voor hun bijdrage aan de natuurkunde, de ontdekkers van GMR kregen in 2007 de Nobelprijs.

De basis van spintronica is het opslaan van informatie in de magnetische configuratie van ferromagneten en het uitlezen via spinafhankelijke transportmechanismen.

"Veel van de vooruitgang in spintronica is het gevolg van het benutten van de koppeling tussen de elektronspin en zijn orbitale beweging, maar ons begrip van deze interacties is nog onvolwassen. We moeten meer weten zodat we deze krachten volledig kunnen verkennen en benutten, " zegt Arne Brataas, professor aan NTNU en de corresponderende auteur voor het papier.

Een elektron heeft een spin, een schijnbaar interne rotatie, naast een elektrische lading. De spin kan omhoog of omlaag zijn, vertegenwoordigt rotaties met de klok mee en tegen de klok in.

Zuivere spinstromen zijn ladingsstromen in tegengestelde richtingen voor de twee spincomponenten in het materiaal.

Het is al enige tijd bekend dat het roteren van de magnetisatie in een magnetisch materiaal pure spinstromen kan genereren in aangrenzende geleiders.

Echter, pure spinstromen kunnen niet conventioneel worden gedetecteerd door een voltmeter vanwege de annulering van de bijbehorende ladingsstroom in dezelfde richting.

Een secundair spin-lading conversie-element is dan nodig, zoals een andere ferromagneet of een sterke spin-baan interactie, wat een spin Hall-effect veroorzaakt.

Brataas en zijn medewerkers hebben aangetoond dat in een kleine klasse van ferromagnetische materialen, de spin-lading omzetting vindt plaats in de materialen zelf.

De spinstromen die in de materialen ontstaan, worden dus direct omgezet in laadstromen via de spin-baan interactie.

Met andere woorden, de ferromagneten functioneren intrinsiek als generatoren van wisselstromen aangedreven door de roterende magnetisatie.

"Het fenomeen is het resultaat van een direct verband tussen elektriciteit en magnetisme. Het maakt nieuwe detectietechnieken op nanoschaal van magnetische informatie mogelijk en voor het genereren van zeer hoogfrequente wisselstromen, ' zegt Bratas.

De opwekking en modulatie van hoogfrequente stromen zijn centrale draadloze communicatieapparaten zoals mobiele telefoons, WLAN-modules voor personal computers, Bluetooth-apparaten en toekomstige voertuigradars.