Spins aan het winkelen
Voor de informatiedragers van de toekomst is effectief spintransport essentieel. Onderzoekers van Stichting FOM en de Universiteit Groningen zagen begin 2012 hoopvolle resultaten in experimenten met kanalen van grafeen. Nu hebben zij een model ontwikkeld dat die experimenten verklaart en aanknopingspunten biedt om de spindynamica te beïnvloeden. Zij publiceerden hun model op 6 februari in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.
In de spintronica draait het om materialen waarin de spin (het magnetisch moment) van een elektron kan voortbewegen zonder te veranderen. Pas dan wordt het mogelijk om die spin ook te gebruiken voor ICT toepassingen. Essentieel is het vinden van geleidende materialen waarin de spins een lange levensduur hebben, maar feitelijk 'leven' de spins het langst in zogenaamde gelokaliseerde toestanden in niet-geleidende materialen.
De Groningse groep Physics of Nanodevices van FOM-werkgroepleider prof.dr.ir. Bart van Wees ontdekte eerder al dat elektronspins in (geleidende) grafeenkanalen op een substraat van siliciumcarbide met een (niet-geleidende) bufferlaag ertussen, langer leefden dan ze verwachtten op basis van de eigenschappen van de geleider. Die versterkte spindynamica is nu door FOM-promovendus Thomas Maassen MSc en zijn collega's binnen het Europese ConceptGraphene samenwerkingsverband verklaard met een nieuw model.
Bufferlaag
De verklaring bleek te liggen in de bufferlaag tussen het grafeenkanaal en het substraat. In deze grafeenachtige buffer bevinden zich gelokaliseerde toestanden waarin de elektronspins enige tijd verblijven. De onderzoekers gebruiken de analogie met een drukke winkelstraat. Om daar door te lopen, heeft iemand een bepaalde hoeveelheid tijd nodig. Gaat hij echter verschillende winkels in, dan is de totaal benodigde doorlooptijd langer. Op dezelfde wijze bewegen elektronspins langzamer door een systeem wanneer daar gelokaliseerde toestanden aanwezig zijn waar ze een poosje kunnen verblijven. Dat het model klopt, toonden de onderzoekers aan door de experimenten te herhalen zonder de bufferlaag, dus zonder de aanwezigheid van gelokaliseerde toestanden. Zoals het model voorspelde, bleek er in een systeem zonder bufferlaag geen effect op de spindynamica.
Sensor
In feite geeft de spintoestand aan het eind van het grafeenkanaal informatie over de gelokaliseerde toestanden rondom het kanaal. Zou je zulke toestanden bewust in het systeem brengen door toevoegen van bepaalde moleculen, dan wordt het systeem een sensor waarmee je meer informatie kunt krijgen over die moleculen. Uiteindelijk kan dit concept zelfs toepasbaar zijn in om in toekomstige toepassingen de spinstoestanden in een kristalrooster met elkaar te laten 'praten'.
Contactinformatie
Thomas Maassen
(050) 363 48 80
Jasper van den Berg
(050) 363 48 80
Bart van Wees
(050) 363 49 33
Referentie
'Localized States Influence Spin Transport in Epitaxial Graphene'. T. Maassen, J.J. van den Berg, E.H. Huisman, H. Dijkstra, F. Fromm, T. Seyller, B.J. van Wees.
Physical Review Letters, Volume 110, issue 6 067209 (2013)