Spintronica: werken met tollende elektronen
Elektronen hebben een elektrische lading en zijn daarmee de dragers van elektrische stroom. Elektronen hebben echter nog een eigenschap, namelijk 'spin'. Hoewel deze eigenschap voortkomt uit de quantummechanica, en dus strikt genomen geen klassiek analogon heeft, kan men zich toch het elektron voorstellen als een draaitol, die linksom of rechtsom draait. Door deze draaiing ('spin') gedraagt het elektron zich als een klein magneetje, waarvan het magneetveld in twee tegenovergestelde richtingen kan wijzen ('spin-up' en 'spin-down'). Er is een nieuw vakgebied aan het ontstaan, de spintronica, dat gebruik maakt van de spin en dus de gevoeligheid van elektronen voor een magneetveld. Dit kan leiden tot kleinere, meer robuuste en snellere elektronische schakelingen. Daarvoor moet wel de spin van de elektronen gemanipuleerd kunnen worden. Onderzoekers van de Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen zijn er nu in geslaagd bij kamertemperatuur elektronen met overheersend één spinrichting in koper aan te brengen en te meten hoe lang ze in deze toestand blijven. Dit wijst de weg naar experimenten om het gedrag van de spin van elektronen in metalen en halfgeleiders beter te begrijpen. Dat is voor mogelijke toepassingen absoluut nodig. De onderzoekers publiceren de resultaten van hun experimenten in de Nature van 15 maart aanstaande.
In elektronische schakelingen worden de elektrische stromen nog voornamelijk gecontroleerd door gebruik te maken van de lading van het elektron. Het feit dat men met het verplaatsen van een elektron niet alleen de lading maar ook een elektronspin transporteert - en daarmee een magnetisch moment - wordt meestal onberoerd of onbenut gelaten. Omdat de elektronspin twee toestanden kan aannemen, komen er in de natuur twee soorten elektronen voor: 'spin-up' en 'spin-down' elektronen. In het nieuwe vakgebied van de magneto-elektronica of 'spintronica' probeert men het bestaan van deze twee soorten ladingsdragers uit te buiten.
Reuzenmagnetoweerstand
Een bekend voorbeeld van de manier waarop het ladingstransport van elektronen door de elektronspin kan worden beïnvloed is het in 1988 ontdekte GMR-effect (giant magneto-resistance), in het Nederlands bekend als 'reuzenmagnetoweerstand'. Dit wordt sinds 1997 door IBM commercieel toegepast in een nieuwe type uitleeskoppen voor harde schijven. In ferromagnetische materialen blijft een eenmaal aangebrachte voorkeursrichting van de spin bewaard. In een systeem van afwisselende ferromagnetische en niet-magnetische lagen kan de elektrische weerstand, ondervonden door een kleine stroom, enorm groot worden wanneer in opeenvolgende lagen de spins tegengesteld gericht zijn. Dit maakt deze multilagen zeer gevoelig voor magnetische velden, waardoor bijvoorbeeld kleinere magnetische bits op een harde schijf van een computer kunnen worden uitgelezen. Gebruik van het GMR-effect vergroot daardoor de opslagcapaciteit van geschikte harde schijven (bijvoorbeeld van 1 naar 20 gigabyte).
Schakelen met spinstroom
Een andere mogelijke toepassing, waarnaar momenteel door tal van groepen in de wereld onderzoek wordt gedaan, is het schakelen van spinstromen. Daarvoor zijn stromen van elektronen met voornamelijk één spinrichting nodig, zogeheten spin-gepolariseerde elektronen. De wetenschappelijke en technische uitdagingen zijn die om spinstromen in metalen en halfgeleiders op te wekken, in stand te houden en vervolgens te controleren of 'regelen'.
De Groningse onderzoekers Friso Jedema, Andrei Filip en Bart van Wees zijn er nu in geslaagd om in een metallische structuur een spin-gepolariseerde stroom in koper te leiden. Het resultaat was een ophoping (accumulatie) van spin-gepolariseerde elektronen in het koper. De grootte van deze ophoping kon worden uitgelezen. Elektronen vallen onder gewone omstandigheden in een bepaalde tijd terug naar een gelijke verdeling (50% spin-up en 50% spin-down) van hun spintoestand, waardoor de spinstroom verdwijnt. De onderzoekers hebben ook de afstand waarover dit gebeurt, de zogeheten 'spinfliplengte' van de elektronen, in het koper weten te bepalen. Bij een temperatuur van 4,2 kelvin is een spinfliplengte gevonden van 1 micrometer en bij kamertemperatuur - bijna 300 kelvin - bedraagt hij 350 nanometer. Deze relatief grote lengtes laten zien dat het mogelijk is om met behulp van lithografische technieken structuren te maken, waarin de diverse aspecten van de elektronspin in de vaste stof bekeken kunnen worden.
Spinprecessie
De analogie tussen de elektronspin en een draaitol maakt het mogelijk naar spinprecessie te gaan kijken. Een (draaiende) draaitol valt onder invloed van de zwaartekracht niet om, maar voert een langzame rondgaande beweging uit, die precessie wordt genoemd. Een soortgelijk effect treedt ook op bij de elektronspin, maar dan onder invloed van een aangelegd magnetisch veld. De onderzoekers werken nu aan experimenten waarbij de richting van de elektronspin op zijn weg door het 'device' op een gecontroleerde manier aan het draaien (precederen) gebracht wordt.
Meer informatie bij prof.dr.ir. Bart van Wees, tel.: (050) 363 49 33, e-mail: wees@phys.rug.nl.