Tollende elektronen manipuleren met magneetveld
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen hebben een elektronische schakeling ontwikkeld waarin ze het tollende gedrag van elektronen naar wens kunnen sturen. Ze publiceren hierover in de Nature van 18 april 2002. Het tollen van elektronen staat bekend als de 'spin' van elektronen. De onderzoekers tonen aan dat de richting van de elektronspin, onderweg van plaats A naar plaats B, met meer dan 180 graden kan worden gedraaid. Dit geeft meer inzicht in het gedrag van de elektronspin in niet-magnetische metalen, iets wat nodig is voor het ontwikkelen van toepassingen van de elektronspin in toekomstige elektronica.
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. Door deze draaiing ('spin') gedraagt het elektron zich als een klein magneetje en is daardoor gevoelig voor een magnetisch veld. Binnen het snel groeiende vakgebied van de spintronica wordt onderzocht of deze gevoeligheid van de elektronenspin voor magnetische velden (in plaats van elektrische velden) kan worden gebruikt voor nieuwe toepassingen, bijvoorbeeld geheugens met weinig energieverbruik (nuttig voor onder andere mobiele telefoons).
Schakelen met spinstroom
Wetenschappelijk en technisch is het een uitdaging om spinstromen in niet-magnetische metalen en halfgeleiders op te wekken met een 'spin-injector', en vervolgens de opgewekte spinstroom uit te lezen met een 'spin-detector'. Voor het bouwen van echte schakelingen moet echter nog een derde mechanisme worden toegevoegd, dat de spinstroom van de injector naar detector kan 'regelen'. Met het uitgevoerde experiment is nu een eerste stap in die richting gezet. Het blijkt dat het mogelijk is de elektronspin in een (niet-magnetisch) metaal te manipuleren. In het bijzonder kan de richting van de elektronspin, onderweg van injector naar detector, worden gedraaid door de spin een precessiebeweging te laten uitvoeren.
Het elektron als draaitol: precessie
Een (draaiende) draaitol - het alledaagse analogon voor het spinnende elektron - valt onder invloed van de zwaartekracht niet om, maar voert een langzame rondgaande beweging uit rondom een verticale as parallel aan de richting van de zwaartekracht. Deze beweging wordt precessie genoemd. Analoog aan de draaitol kan de elektronspin ook een precessiebeweging uitvoeren (de zogenaamde Larmor-precessie), onder invloed van een aangelegd magnetisch veld. Beide precessiebewegingen zijn afgebeeld in figuur 1.
Uitgangsspanning verandert van teken
Friso Jedema, Hubert Heersche, Andrei Filip, Jochem Baselmans en Bart van Wees hebben een schakeling ontworpen - zelf spreken ze liever van een 'device' - waarin ze de spinprecessie van de elektronen kunnen regelen met behulp van een uitwendig magneetveld (zie figuur 2).
In het device dat ze hebben ontworpen sturen ze via een ferromagnetische elektrode (van kobalt) een spinstroom een aluminium strip in. Op enige afstand (in de uitgevoerde experimenten 550 tot 1350 nanometer) kruist die strip een tweede elektrode van kobalt. Daar meten de onderzoekers het spinafhankelijke spanningsverschil ten opzichte van de aluminium strip. De spinstroom en het daardoor veroorzaakte spanningsverschil is afhankelijk van de spinpolarisatie, en dus de mate waarin één spin overheerst over de andere. De richting en precessiehoek van de geïnjecteerde elektronspins worden in eerste instantie door de magnetisatie ín het substraatvlak van de kobalt injector-strip (Co1) vastgelegd. Wanneer de onderzoekers nu een magneetveld loodrecht op het substraatvlak aanleggen, blijkt het gemeten spanningsverschil van plus naar min te veranderen of omgekeerd (zie figuur 3). Dit komt omdat het magneetveld de gemiddelde precessiehoek van de tollende elektronen 180 graden van richting verandert tijdens zijn reis van de injector-strip (Co1) naar detector-strip (Co2). Het device is uitermate gevoelig voor de variaties in de spin en maakt daarom onderzoek mogelijk naar transportverschijnselen van de elektronen die afhankelijk zijn van de spin. Dat moet meer inzicht opleveren in methoden om de spin optimaal te manipuleren.
Meer informatie bij prof.dr.ir. Bart van Wees, telefoon: (050) 363 49 33.
Meer over het onderzoek is te vinden op: http://rugth30.phys.rug.nl/compphys0/ en https://www.nwo-i.nl/nieuws/persarchief2001/3.htm.