Cool: spintransport in een isolator

Elektronen hebben niet alleen een negatieve lading: ze bezitten ook een eigenschap die ‘spin’ heet. En die elektronenspin kan door een isolerend materiaal bewegen, waarin elektronen niet van hun plaats komen. RUG promovenda Jing Liu ontdekte interessante feiten over dit transport en publiceerde die op 10 april in het tijdschrift Physical Review B Rapid Communication.

Elektronenspin is een magnetische eigenschap, die de waarde ‘op’ of ‘neer’ kan hebben. Deze spin is te gebruiken om informatie op te slaan, te transporteren of te bewerken. Veel werk in het lab van Liu’s begeleider Bart van Wees, winnaar van de Spinoza prijs 2016, is gericht op het begrijpen van de fundamentele natuurkunde die achter spin en spintransport zit. Het uiteindelijk doel is om te komen tot zogeheten ‘spintronica’, elektronische schakelingen die werken op spin in plaats van lading.

Er zijn verschillende redenen waarom dat interessant is. Allereerst kunnen elektronen via spin extra informatie dragen. Daarnaast werken schakelingen op basis van elektronenspin sneller, ze gebruiken minder energie en produceren minder warmte. Dat laatste gaat vooral op bij spintransport door een isolator, waarin elektronen zich niet kunnen verplaatsen (wat warmte op zou leveren) maar waar spin doorheen gaat zoals de ‘wave’ zich verplaatst door een stadion.

Verrassing

Jing Liu heeft de natuurkunde van het spintransport onderzocht in een isolator (Yttrium ijzer granaat, kortweg YIG en voor chemici Y₃Fe₅O₁₂). Zij bestudeerde het transport van magnonen. Dit zijn structuren die zich gedragen als deeltjes en bestaan uit elektronen binnen een kristalstructuur waarvan de spinstructuur collectief is aangeslagen. Anders gezegd: magnonen zijn spingolven die zich gedragen als een deeltje.

‘We maakten een schakeling waarin we magnon-stromen kunnen meten in een YIG-isolator’, legt Liu uit. Tot haar verrassing zag zij bij dat transport anisotropie, dat wil zeggen, het magnon transport ging niet in alle richtingen even snel. Dat was nog niet eerder gevonden bij magnon transport, maar bij elektronentransport in ferromagnetische materialen is het een bekend verschijnsel. Daar ontstaat het door een wisselwerking van de spin en de beweging van een elektron, iets dat ‘ spin-orbit koppeling’ heet.

Nieuwe vragen

‘Dat we dit zagen was een verrassing, want die spin-orbit koppeling is heel zwak in het materiaal dat wij gebruikten’, vertelt Liu. Dat vraagt om nieuw onderzoek: wat gebeurt er precies in die isolator? Maar los van de nieuwe vragen die het onderzoek oproep heeft het ook nieuw gereedschap opgeleverd: ‘We hebben nu een methode om anisotroop transport te meten. Bovendien, het feit dat transport niet in alle richtingen even snel gaat is mogelijk te gebruiken om spintransport te beïnvloeden.’

In het vervolg van haar onderzoek zal Liu twee verschillende typen magnonen bestuderen, met lage en hoge energie. ‘De magnonen met hoge energie gedragen zich meer als deeltjes, die met lage energie als golven. Ik wil graag meten hoe ze elkaar beïnvloeden.’ Uiteindelijk zou dat de weg moeten banen naar elektronica die werkt zonder elektronenstroom en daardoor geen warmte produceren. Hoe cool is dat!

Het onderzoek van Jing Liu is onderdeel van het programma Magnon Spintronica van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), die vanaf 2017 deel uitmaakt van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Referentie: J. Liu, L. J. Cornelissen, J. Shan, T. Kuschel, and B. J. van Wees: Magnon planar Hall effect and anisotropic magneto resistance in a magnetic insulator. Phys. Rev. B 95, 140402(R) – online 10 april 2017
DOI 10.1103/PhysRevB.95.140402