Onderzoekers van de Universiteit van de Witwatersrand hebben manieren gevonden om het spintransport te regelen in netwerken van de kleinste elektrische geleider die de mens kent.

Door nanodeeltjes van het zeldzame aarde-element chemisch te hechten, gadolinium, tot koolstof nanobuisjes, de onderzoekers hebben ontdekt dat de elektrische geleidbaarheid in de nanobuisjes kan worden verhoogd door de spin-eigenschappen van het gadolinium op te nemen dat voortkomt uit zijn magnetische aard. Om het duidelijk te zeggen, de aanwezigheid van een magneet in een medium voor elektronenoverdracht introduceert een andere vrijheidsgraad die de elektronenoverdracht verbetert, maar alleen als deze precies wordt aangepast.

Ontdekt in Japan in 1993, koolstofnanobuisjes zijn de dunste buisjes in het heelal, bestaande uit een cilinder van enkele koolstofatomen. Op het moment van zijn ontdekking was het revolutionair, en men verwachtte dat het silicium in elektronische schakelingen zou kunnen vervangen, zoals microchips en harde schijven van computers.

"Koolstofnanobuisjes staan ​​bekend om hun vermogen om een ​​grote hoeveelheid elektrische stroom te vervoeren en ze zijn erg sterk. Ze zijn erg dun, maar elektronen kunnen er heel snel in bewegen, met snelheden tot Gigahertz of Terahertz, en wanneer ze aan nanomagneten worden gekoppeld, breiden ze de functionaliteit van de koolstofnanobuizen aanzienlijk uit, die nodig is om de moderne technologie vooruit te helpen door de ontwikkeling van spintronische apparaten met hoge snelheid, " zegt Siphephile Ncube, een doctoraat student aan de Wits School of Physics en de hoofdauteur van de studie. Haar onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op woensdag (23 mei 2018).

Tijdens haar Ph.D., Ncube werkte samen met een team van onderzoekers van de Universiteit van de Witwatersrand, Universiteit van Johannesburg en de Paul Sabatier Universiteit in Frankrijk. De onderzoekers hechtten gadolinium-nanodeeltjes chemisch aan het oppervlak van de koolstofnanobuisjes om te testen of het magnetisme de overdracht van elektronen door het systeem verhoogt of remt. De metingen om het effect van magnetische nanodeeltjes op een netwerk van meerwandige koolstofnanobuisjes te onderzoeken, werden uitgevoerd in het Nanoscale Transport Physics Laboratory (NSTPL) in Wits. Deze faciliteit is gewijd aan nieuwe nano-elektronica en werd geïnitieerd door het vlaggenschipprogramma NRF Nanotechnologie.

"We ontdekten dat het effect van de magnetische nanodeeltjes wordt afgelezen in het elektronische transport van de nanobuisjes. Door de aanwezigheid van de magneet worden de elektronen spin-gepolariseerd en is de ladingsoverdracht afhankelijk van de magnetische toestand van het gadolinium. Wanneer de algemene magnetische polen van het gadolinium zijn tegengesteld uitgelijnd, het veroorzaakt een hogere weerstand in de nanobuisjes en vertraagt ​​de elektronenstroom. Wanneer de magnetische polen niet goed zijn uitgelijnd, het heeft een lage weerstand, en helpt het elektronentransport, ", zegt Ncube. Dit fenomeen staat bekend als het Spin Valve-effect, die brede toepassing vindt bij de ontwikkeling van harde schijven die worden gebruikt voor gegevensopslag.

Ncube begon haar onderzoek naar koolstofnanobuisjes in 2011 als masterstudent aan de Wits School of Physics. waar ze enkelwandige koolstofnanobuisjes maakte, door een lasersynthesetechniek tot stand te brengen. Haar werk, wat leidde tot de publicatie van verschillende onderzoeksartikelen in het veld, werd uitgevoerd op instrumenten van het CSIR National Laser Center Rental Pool Programme. Ze is ook de eerste onderzoeker in Afrika die een elektronisch apparaat bouwt dat de elektronenoverdrachtseigenschappen van de koolstofnanobuisjes gekoppeld aan magnetische nanodeeltjes kan meten. Ze werd gefinancierd door het DST-NRF Centre of Excellence in Strong Materials.

"Ncube's onderzoek heeft het grote potentieel van koolstofnanobuisjes aangetoond voor ultrasnelle schakelapparatuur en magnetische geheugentoepassingen, een realisatie waar we sinds de oprichting van de NSTPL-faciliteit in 2009 naartoe hebben gewerkt " zegt Ncube's PhD-promotor, Professor Somnath Bhattacharyya. "Daten, gemodificeerde nanobuisjes hebben een goed spintransport aangetoond voor apparaten gemaakt van individuele nanobuisjes. Voor het eerst hebben we spin-gemedieerd elektronentransport gedemonstreerd in een netwerk van nanobuisjes zonder incorporatie van magnetische geleiders." Het project maakt deel uit van de doelstellingen die zijn uiteengezet in het vlaggenschipprogramma van NRF Nanotechnologie.