Weg naar supergeleidende spintransistor lijkt geopend
Een team bestaande uit FOM-wetenschappers aan het Kavli Instituut voor Nanoscience Delft en een tweetal universiteiten in de Verenigde Staten heeft supergeleiding waargenomen in chroomdioxide. Dit is het materiaal dat de basis vormt voor de bekende superieure audiotapes. Het is een zogeheten ferromagnetisch materiaal, het type materiaal waar alledaagse magneten meestal uit bestaan. Aangezien conventionele supergeleiding in een dergelijk materiaal niet tot nauwelijks kan optreden, duidt de waarneming op een zeldzame vorm van supergeleiding. Het team heeft hiermee aangetoond dat een ferromagnetisch materiaal in supergeleidende elektronica toegepast kan worden, bijvoorbeeld in quantumcomputers. Hierdoor kunnen magneetvelden nu gebruikt gaan worden om de elektronica aan te sturen, iets wat hoog op de verlanglijst staat van wetenschappers overal ter wereld die werken aan toekomstige supergeleidende elektronica. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Nature van 16 februari 2006.
Supergeleiding is het verschijnsel dat elektronen zonder enige weerstand door een geleidend materiaal lopen. Bijna een eeuw geleden ontdekte Heike Kamerlingh Onnes in Leiden supergeleiding in kwik bij een temperatuur van - 270 graden Celsius (slechts enkele graden dus boven het absolute nulpunt). In 1986 ontdekten de Zwitserse onderzoekers Bednorz en Müller supergeleiding in keramische materialen bij een veel hogere temperatuur (- 196 graden Celsius). Hoewel het precieze mechanisme van deze laatste zogeheten hoge-temperatuur supergeleiding nog altijd niet ontrafeld is, gaat men er vanuit dat supergeleiding in alle gevallen de weerstandsloze beweging is van elektronenparen. Die bestaan uit twee elektronen in toestanden met tegenovergesteld magnetisch moment (spin). Spin is een quantummechanisch fenomeen dat geen analogon in de dagelijkse werkelijkheid heeft maar dat men zich kan voorstellen als het tollen van een magneetje waarbij de spin de richting is waarin de omwentelingsas wijst. Een elektron kan 'rechtstandig' en 'op zijn kop' draaien. De elektronen hebben dan tegengestelde spin en als ze een paar vormen, zoals in supergeleiding, noemt men dat een spin-singlet Cooper-paar (naar Leon Cooper die dit model als eerste poneerde). Zeldzamer is de supergeleiding met behulp van elektronenparen van gelijkgerichte spintoestanden (ofwel spin-triplet Cooper-paren). Het is precies dit type supergeleiding dat nieuwe kansen biedt op gedroomde toepassingen zoals een magnetisch schakelbare supergeleidende transistor. Tot deze verrassende conclusie komen promovendus Ruurd Keizer, postdoc Sebastian Goennenwein en professor Teun Klapwijk op basis van de metingen in Delft waarbij ze gebruik maken van het induceren van supergeleiding in de ferromagneet door direct contact met een conventionele supergeleider.
Superstroom door normaal metaal
Het Delftse team verbond twee supergeleidende contacten van niobiumtitaannitride (NbTiN) met elkaar via een stukje van het niet-supergeleidende ferromagnetische metaal chroomdioxide (CrO2) van enkele honderden nanometers breed (een nanometer is een miljoenste millimeter). Bij een temperatuur van -272 graden Celsius ofwel 1,6 kelvin, toonden de onderzoekers een zogeheten superstroom door de structuur aan, het bewijs dat er sprake was van supergeleiding. CrO2 is bij velen bekend als het materiaal dat op grote schaal wordt gebruikt in kwalitatief superieure audiotapes.
Uit onderzoek aan supergeleiding is alom bekend dat de elektronenparen die in het supergeleidende materiaal voor de supergeleiding zorgen, een oversteek door een 'normaal' metaal kunnen overleven als de lengte van die oversteek kleiner is dan de zogenaamde coherentielengte. De superstroom loopt dan van het ene supergeleidende contact door het metaal naar het tegenoverliggende supergeleidende contact. Tijdens de passage door het normale metaal kunnen wetenschappers de superstroom beïnvloeden en daarom geldt de structuur supergeleider-normaal metaal-supergeleider (SNS) als de gedroomde schakelaar in de supergeleidende elektronica van de toekomst.
Superstroom door ferromagneet
Wat de metingen uniek maakt, is het gebruik van een ferromagneet als normaal metaal. Theoretisch wordt de oversteek van elektronenparen hierdoor een stuk moeilijker. Ferromagnetisch materiaal heeft namelijk een sterke invloed op de spin van de elektronen. In een elektronenpaar met tegenovergestelde spinrichtingen is er altijd één elektron dat een magnetische barrière ondervindt in de ferromagneet. De coherentielengte is hierdoor bijzonder kort.
Dat de Delftse onderzoekers een gezonde superstroom waarnamen door een relatief brede strook ferromagnetisch materiaal, duidt onmiskenbaar op de zeldzame vorm van supergeleiding - waarbij de elektronenparen bestaan uit gelijkgerichte spins. Het Delftse team stelt dat de elektronenparen met tegengestelde spin bij de overgang van supergeleider naar ferromagneet (het grensvlak tussen NbTiN en CrO2) omgezet worden in paren met gelijkgerichte spin en dat daarom de supergeleiding overleeft.