Nieuwe stap in de spintronica
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente hebben een methode ontdekt waarmee ze positieve ladingsdragers (zogeheten gaten) in een geleidend materiaal kunnen manipuleren. Tot nu toe was dat alleen met negatieve ladingsdragers (elektronen) mogelijk. Om de dragers te manipuleren gebruiken de onderzoekers een eigenschap die spin heet. Spin en daarmee het gedrag van de ladingsdragers zelf laat zich met behulp van een magneetveld beïnvloeden. Dit maakt een 'magnetische' variant op elektronica mogelijk, de spintronica. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 21 januari 2005. Hun ontdekking maakt het mogelijk om met behulp van de spin zowel elektronen als gaten te manipuleren. Dat opent de weg naar een spintronische versie van de CMOS. Dit is een elektronische schakeling die relatief weinig stroom nodig heeft en die toegepast wordt in bijvoorbeeld laptops en mobieltjes. Met de spintronische versie kunnen bijvoorbeeld energiezuinige magnetische geheugens of computerprocessors worden gemaakt.
Halfgeleiders en CMOS
Onze micro-elektronica is gebaseerd op transport van pakketjes elektrische lading, in de vorm van negatief geladen elektronen. Materialen die daarvoor worden gebruikt zijn elektrische geleiders als metalen en halfgeleiders. Die laatste, met silicium als bekendste materiaal, hebben de eigenschap dat ze normaal gesproken geen elektriciteit geleiden tenzij ze met atomen van specifieke elementen zijn verontreinigd. Die verontreinigingen zorgen voor zogeheten negatieve en positieve ladingsdragers. In zo'n materiaal zijn voortdurend grote aantallen elektronen van het ene atoom naar het andere aan de wandel. Wanneer ze bij een atoom zitten, vormt de plaats waar ze zijn een negatieve lading. Zijn ze daar weg en is hun plaats nog niet ingenomen door een volgend elektron, dan zit daar wat natuurkundigen noemen een gat, waaraan ze een positieve lading toekennen. De bewegende elektronen vormen een negatief stroomcircuit. De gaten kunnen ook als in beweging worden beschouwd en vormen een positief stroomcircuit. In de wereld van de halfgeleiders wordt dit aangeduid als n- en p-type halfgeleiders.
Met behulp van één type geleider kunnen al componenten als diodes, transistors en chips worden gemaakt. Beide type componenten kunnen ook op een slimme manier gecombineerd worden in zogeheten CMOS technologie, complimentary metal oxide semiconductor technologie. CMOS-componenten hebben veel minder stroom nodig dan gewone componenten. Daarom worden ze veel gebruikt in apparaten die op batterijen werken, zoals laptops en mobieltjes. Ze zitten ook in gewone computers, in het belangrijkste rekencentrum (de processor), om de productie van warmte te beperken.
Spin
Nu bezitten elektronen niet alleen een elektrische lading. Ook draaien ze als het ware om een as en kunnen worden beschouwd als miniatuurmagneetjes. Deze eigenschap wordt spin genoemd. De draaiing kan linksom zijn en rechtsom. In het ene geval wijst het magneetje omlaag, in het andere geval omhoog. De spin kan worden bepaald en gericht met behulp van een extern magneetveld. Naar zijn spin gezien kan een elektron dus in twee verschillende toestanden verkeren. Welke toestand overwegend voorkomt kan worden gestuurd. Dat maakt dingen mogelijk als het manipuleren van de stroom en het verdichten van de opslagcapaciteit van magnetische informatiedragers. Er is rond deze mogelijkheden een heel nieuw vakgebied opgekomen, de spintronica.
Complementaire spintronica
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente hebben nu een weg geopend naar complementaire spintronica, die een analogon heeft in de hierboven beschreven CMOS technologie. In experimenten is jaren geleden al door diverse onderzoekers vastgesteld dat de spinrichting van elektronen goed te beïnvloeden is. Dat maakt het bijvoorbeeld mogelijk meer elektronen in een bepaalde gewenste spinrichting te duwen, waardoor bijvoorbeeld de stroomsterkte door een materiaal vergroot of juist verkleind kan worden. Dit heeft al toepassing gevonden in magnetische sensoren, magnetische geheugencomponenten, spintoevoeging aan halfgeleiders en magnetische afbeeldingstechnieken.
Tamalika Banerjee (FOM), Ehtsham Ul-Haq (FOM), Martin Siekman, Cock Lodder en Ron Jansen, allen verbonden aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente, hebben nu laten zien dat ze ook de spin van de gaten kunnen manipuleren. Ze ontdekten dat een dunne ferromagnetische laag zich voor gaten (dus positieve ladingsdragers) gedraagt als een spin-polarisatiefilter, die slechts gaten met één bepaalde spin doorlaat. Door twee van die ferromagnetische lagen te gebruiken kunnen de Twentenaren de gatenstroom beïnvloeden. Dat werkt zo goed dat in een magneetveld de stroomsterkte met een factor 2,3 vergroot wordt. Dit levert voor het eerst een methode op om met behulp van spin stroom te manipuleren die werkt voor elektronen én voor gaten. Daarmee is een route naar complementaire spintronica geopend.
Op nanometerschaal
De nieuwe methode maakt het ook mogelijk magnetisme en spin-afhankelijk ladingstransport te bestuderen en zelfs af te beelden op een schaal van een tiental nanometer. Deze nieuwe vorm van microscopie beschrijven de auteurs in een artikel dat in februari in Applied Physics Letters zal verschijnen. Deze ontwikkeling zal ongetwijfeld inzichten opleveren die van belang zijn voor de nanotechnologie.
Meer informatie bij dr. Ron Jansen, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 33 55.