RUG-natuurkundigen 'bevriezen' de tijd voor nieuwe dataopslag

Onderzoekers van Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen hebben een manier gevonden om spin-informatie veel langer te bewaren dan voorheen mogelijk was. Ze isoleerden de spin-informatie van de buitenwereld in een minuscule grafeenstructuur, waarbinnen zij de informatie kunnen veranderen met behulp van elektrische velden. Deze eigenschap maakt hun ontwerp een aantrekkelijke kandidaat voor toekomstige dataopslag-toepassingen en logische poorten. De onderzoekers publiceerden hun resultaten online op 22 augustus 2014 in Physical Review Letters.

(Bron: FOM persbericht)

De nanoschaal structuur bestaat uit een vlokje grafeen (een enkele laag koolstofatomen) die tegen de buitenwereld wordt beschermd door gestapelde lagen isolerend boornitride. Elektronen binnenin het grafeen dragen informatie met zich  mee: ze hebben elk een spinwaarde (omhoog of omlaag) die wordt bepaald door de richting van hun intrinsieke magnetische moment. De spinwaarden kunnen worden beschouwd als computerbits, die gebruikt kunnen worden om informatie te versturen of op te slaan.

Een uitdaging is dat spins hun waarden na verloop van tijd verliezen (de spin-relaxatietijd), waardoor ook de informatie verloren gaat. In grafeen duurt dit ongeveer 0,2 nanoseconden (een nanoseconde is een miljardste van een seconde). In hun beschermde grafeenvlok is het de onderzoekers echter gelukt om de spin-relaxatietijd te verhogen tot meer dan 2 nanoseconden.

Elektrische velden
Tot nu toe konden natuurkundigen de waarden van de spins in grafeen (en daarmee de waarden van de 'bits') alleen veranderen met behulp van magnetische velden. Door twee stuurelektroden te gebruiken, lukte het de onderzoekers nu om de spin-informatie juist met elektrische velden te manipuleren. Omdat het in dergelijke nano-apparatuur veel gemakkelijker is om elektrische velden te maken dan magnetische velden, banen deze resultaten de weg voor spintronische toepassingen op basis van grafeen.

Spintronica
Het vakgebied spintronica (een combinatie van 'spin' en 'elektronica') gebruikt spinwaarden in plaats van elektrische ladingen om informatie over te dragen. Apparaatjes die spin gebruiken, verbruiken minder stroom en zijn minder vergankelijk dan apparaatjes die met ladingen werken. Daarom wordt er naar spintronische apparaatjes gekeken als alternatief voor computercomponenten, bijvoorbeeld in geheugentechnologieën zoals MRAM en STT-RAM.

Referentie: Controlling spin relaxation in hexagonal BN-encapsulated graphene with a transverse electric field , M.H.D. Guimarães, P.J. Zomer, J. Ingla-Aynés, J.C. Brant, N. Tombros en B.J. van Wees,  Phys.Rev. Lett. 113, DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.086602.