Snelheidslimiet bepaald voor elektrisch schakelen
Mineraal schakelt tien keer sneller dan grafeen
Wetenschappers van de UvA en de Stichting FOM hebben bepaald wat de minimale tijd is waarbinnen magnetiet elektrisch kan schakelen. Samen met een internationaal onderzoeksteam is het de wetenschappers gelukt om direct te meten dat het maar één picoseconde duurt om dit oxide te laten switchen van isolerend naar geleidend gedrag: dat is tien keer sneller dan de beste grafeentransistoren. Deze resultaten kunnen leiden tot betere transistoren: de kleine aan/uit-schakelaars van computerchips. Zo'n innovatie is een eerste stap naar snellere, krachtigere processoren die minder stroom gebruiken. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag online in het vooraanstaande tijdschrift Nature Materials.
Magnetiet (Fe3O4) komt in de natuur voor als mineraal. In het onderzoek werd het blootgesteld aan een krachtige laserpuls van zichtbaar licht. Deze lichtpuls breekt de geordende patronen waarin de elektronen vastzitten. Die breking is het startschot van een proces waardoor het magnetiet uiteindelijk geleidend wordt. Kort na die eerste stap, volgt een ultrakorte, ultraheldere puls van de Linac Coherent Light Source (LCLS) bij SLAC National Accelerator Laboratory. Met deze röntgenlaser wist het onderzoeksteam voor het eerst de tijdschalen en details van de veranderingen in het magnetiet door de oorspronkelijke laserpuls waar te nemen.
Nederlands tintje: de Verwey-overgang
Magnetiet is het eerste metaaloxide waarin een overgang tussen geleidend en isolerend gedrag is waargenomen. Evert Verwey, de latere directeur van het Philips NatLab, was in 1939 de eerste die hierover publiceerde in vakblad Nature. Verwey studeerde wis- en natuurkunde aan de voorloper van de huidige UvA en was lange tijd lid van de bestuur van Stichting FOM. Zijn ontdekking dat de elektronen vast kunnen vriezen in een oxide zoals magnetiet, en zodanig elektrische geleiding kunnen uitschakelen, was een primeur. Daarom draagt dit proces, dat plaatsvindt bij -150 °C de naam Verwey-overgang.
Vries- en smeltproces
Lang is er gezocht naar het microscopische mechanisme van de Verwey-overgang: hoe de vastgevroren elektronenpatronen smelten en loskomen, zodat de bewegelijke ladingen een metaal opnieuw geleidend maken. In de nieuwe experimenten gebruikten de onderzoekers, waaronder de Amsterdamse fysici prof.dr. Hermann Dürr, prof.dr. Mark Golden en voormalig UvA-promovendus dr. Sanne de Jong, de ultrasnelle röntgenflitsen van de LCLS om het smelten van de bevroren ladingen in magnetiet te 'filmen'. Net als in een tekenfilm maakten zij snel vele snapshots van het materiaal in die eerste smeltfase.
Bliksemsnel schakelen
De isolerende toestand van magnetiet blijkt te bestaan dankzij groepjes van drie ijzeratomen in het rooster, trimerons geheten. Als er voldoende fotonen in de eerste laserpuls zitten, wordt een kwart van de trimerons ontmanteld. Dit gebeurt razendsnel: binnen een kwart van een picoseconde. Op de plekken waar het bijzondere patroon van trimerons kapot is, kunnen elektronen vrij bewegen. Wanneer dit leidt tot een netwerk van metallische filamenten die elkaar raken, schakelt het kristal tussen de 'uit' en 'aan' geleidingstoestanden. Door de LCLS-laser als razendsnelle stopwatch te gebruiken, konden de wetenschappers de Verwey-overgang nauwkeurig volgen en de snelheidslimiet voor schakelen vaststellen op één picoseconde (een miljoenste van een miljoenste van een seconde). Die limiet geldt ook voor toekomstige oxide elektronica.
Dürr en Golden zijn zeer enthousiast over de verkregen resultaten: niet alleen is de puzzel van het mechanisme van de Verwey-overgang in magnetiet opgelost, ook is bewezen dat complexe oxides van overgangsmetalen zoals ijzer in staat zijn hun geleidingstoestand tien keer sneller te laten schakelen dan de allerbeste grafeentransistoren. Verder onderzoek is gestart om andere oxidematerialen te verkennen, die bij kamertemperatuur soortgelijk schakelgedrag kunnen vertonen, om concrete toepassingen in de informatietechnologie dichterbij te brengen.
Referentie
'Speed limit of the insulator–metal transition in magnetite', S. de Jong et al., Nature Materials, 28 July 2013 (10.1038/NMAT3718).
Contact
Prof. dr. M.S. Golden, Van der Waals-Zeeman Instituut, Universiteit van Amsterdam, (020) 525 63 63.