Spintronica maakt microscopische maser mogelijk
Een maser is een apparaat dat precies hetzelfde werkt als een laser, maar dat in plaats van zichtbaar licht microgolfstraling produceert. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting FOM hebben het werkingsprincipe aangetoond van een maser op microscopische schaal, gebaseerd op een nieuwe vorm van elektronica: spintronica. Ze publiceren hun resultaten op 15 september 2006 in Physical Review Letters.
Spintronica is een vorm van elektronica die niet alleen gebruik maakt van het feit dat elektronen een lading hebben, maar ook dat ze een spin hebben. Het is alsof een elektron ofwel linksom spint om zijn as, ofwel rechtsom. In het ene geval wordt de spin voorgesteld als een pijl omhoog, in het andere geval als een pijl omlaag. In een extern magnetisch veld gaan spins, die zich in feite als kleine magneetjes gedragen, zich richten. Daarvan maakt de spintronica dankbaar gebruik. Een bekende, commercieel toegepaste spintronische component, is de Giant MagnetoResistance (GMR) sensor in de leeskop van een harde schijf in een computer.
FOM-postdoc Steven Watts en Bart van Wees (Rijksuniversiteit Groningen) hebben nu berekend dat er een spintronische component mogelijk is die werkt als een maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Waar een laser zichtbaar licht produceert, maakt een maser microgolfstraling. Net als een laser heeft een maser de handige eigenschap dat de uitgezonden straling een precies bepaalde frequentie heeft. De onderzoekers hebben een manier bedacht om een klein stukje paramagnetisch materiaal (materiaal dat losse elektronenspins bevat, zoals een metaal of een halfgeleider) als maser-medium te gebruiken.
Sandwich van dunne lagen
De voorgestelde maser bestaat uit een dunne lagen-sandwich van een plakje paramagnetisch materiaal beneden, een plakje ferromagnetisch materiaal boven, met daar tussenin een isolerend laagje. Als er een extern magnetisch veld op het paramagnetische materiaal wordt aangelegd, ontstaan er twee energieniveaus: een grondtoestand waarin alle elektronen een spin omlaag hebben, en een aangeslagen toestand (een toestand met een hogere energie) waarin alle elektronen een spin omhoog hebben. Nu kunnen microgolven als een soort pomp elektronen van de grondtoestand in de aangeslagen toestand brengen. Alleen gaat maar een deel van de energie uit de microgolven zitten in deze pompwerking. Een ander deel gaat in het magnetisch materiaal verloren aan warmte, en een klein deel komt als microgolfstraling weer uit het materiaal.
De onderzoekers hebben nu voor het eerst laten zien dat het in theorie mogelijk is om door het toevoeren van een stroom van elektronen met gelijke spin de sandwich in een zodanige toestand te brengen dat de paramagnetische laag meer microgolfstraling uitzendt dan erin wordt gestopt. Bovendien kan dit proces zichzelf in stand houden. Het resultaat is een maser op microscopische schaal.
De bovenste, ferromagnetische laag van de sandwich dient alleen maar om het onderste, paramagnetische laagje van een extra stroom van elektronen in dezelfde spintoestand te voorzien. Door een elektrische spanning aan te brengen over de sandwich, gaat deze stroom van de ferromagneet naar de paramagneet lopen. Daar zorgt hij voor de voor een maser (net als voor een laser) noodzakelijke populatie-inversie: het merendeel van de elektronen zit in de aangeslagen toestand. De elektronen vervallen vervolgens collectief terug naar de grondtoestand, onder uitzending van microgolfstraling van een nauw bepaalde frequentie. Maar de populatie-inversie blijft bestaan omdat de spinstroom telkens weer ervoor zorgt dat meer elektronen in de aangeslagen toestand zitten dan in de grondtoestand.
Microgolfvermogen
Voor een paramagnetisch laagje ter grootte van 500 bij 500 bij 50 kubieke nanometer hebben Watts en Van Wees berekend dat de maser bij een typisch toevoervermogen van 100.000 microwatt een microgolfvermogen van 1 microwatt kan leveren. De relatief lage efficiëntie van 0,001 procent is vooralsnog een technologische beperking die het gevolg is van het gebruiken van een isolerend laagje van aluminiumoxide. De beschrijving van deze maser in een metallische sandwich kan geheel analoog ook worden toegepast bij andere materialen, zoals halfgeleiders en bij andere manieren om spins te injecteren.
Vooralsnog zijn er geen concrete toepassingen van deze microscopische maser, maar gezien het toenemende belang van spintronische componenten en gezien het feit dat microgolven bijvoorbeeld al toegepast worden in elektronische apparaten zoals mobiele telefoons, denken de onderzoekers dat die toepassingen er wel kunnen komen. De Groningse onderzoekers willen als volgende stap een demonstratieversie van de maser bouwen.
Het artikel is getiteld:
An electron spin injection driven paramagnetic solid state maser device, S.M. Watts en B.J. van Wees.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: prof.dr.ir. Bart van Wees, Rijksuniversiteit Groningen, telefoon (050) 363 49 33, of met dr. Steven Watts, Rijksuniversiteit Groningen, telefoon (050) 363 49 19.