Nieuw model brengt revolutionaire transistor dichterbij

RUG-promovendus Siddhartha Omar heeft de ruis bestudeerd in het transport van elektronenspins in grafeen. Zijn conclusie is dat onzuiverheden in grafeen het transport hinderen. Deze ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Reviews B, kan helpen bij het verbeteren van spintransport en is nodig om een revolutionaire transistor te maken die werkt op basis van elektronenspins.

Spintronica is een alternatief voor electronica dat minder stroom gebruikt. Het is niet een gebaseerd op een stroom elektronen, maar een stroom van elektronenspins. Die spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, ze tollen als het ware snel om hun as waardoor zij zich als kleine kompasnaaldjes gaan gedragen. Deze spin kan twee waarden hebben, ‘op’ of ‘neer’ en daarmee is het in principe mogelijk om informatie op te slaan of te transporteren.

Grafeen, de tweedimensionale versie van koolstof, is een uitstekende geleider van spins. Maar toch is de geleiding in de praktijk niet zo goed als voorspeld door de theorie, zegt Omar. Om uit te zoeken waarom dit zo is analyseerde hij de ruis in spinsignalen met behulp van een theoretisch model. ‘Wij waren hier in Groningen afgelopen jaar de eersten die ruis in spinsignalen maten. Ik wilde weten wat die ruis veroorzaakt.’ De ruis kun je zien als het ‘wiebelen’ van de as waaromheen het elektron tolt. Dit wiebelen kan zo sterk worden dat de spinrichting omklapt van ‘op’ naar ‘neer’ (of omgekeerd), wat uiteindelijk het totale spinsignaal doet afnemen.

Omar gebruikte een circuitmodel, dat oorspronkelijk is bedacht door Albert Fert, in 2007 ontvanger van de Nobelprijs voor natuurkunde. Die model werd eerder vereenvoudigd door Ivan Vera-Marun, een voormalig RUG-onderzoeker die nu werkt aan de universiteit van Manchester en medeauteur is van het artikel. Omar: ‘Ik heb dit model weer aangepast voor mijn specifieke doeleinden.’ Het circuit is gebaseerd op weerstanden en de simulaties met het model gebeuren via relatief eenvoudige formules. ‘We gebruikten gegevens uit onze experimenten als input voor het model, zodat we de bijdrage van verschillende bronnen voor ruis konden schatten.’

Zijn analyse suggereert dat onzuiverheden in het grafeen de belangrijkste bron van de ruis zijn. ‘Het goede nieuws is dat we nu beter begrijpen waarom de spinstroom in grafeen sneller dan verwacht verdwijnt’, legt Omar uit. Het slechte nieuws is dat die onzuiverheden een onvermijdelijke eigenschap zijn van het soort grafeen dat Omar en zijn collega’s in het lab van spintronica-onderzoeker Bart van Wees doorgaans gebruiken. ‘Ons grafeen komt van natuurlijk grafiet dat altijd onzuiverheden bevat. We zullen dus een andere bron voor grafeen moeten zoeken.’

Een mogelijke nieuwe bron die zij nu onderzoeken is synthetisch grafeen, dat in het lab wordt gemaakt en extreem zuiver is. In dit type grafeen zou het spinsignaal sterker moeten zijn. In het lab van Van Wees zijn al diverse andere manieren ontdekt om dat signaal te verbeteren. Een recente ontdekking was dat het signaal met een factor honderd toeneemt door de spins in een schakeling te injecteren door een dubbel laagje boornitride.

‘We vergroten stukje bij beetje ons begrip van spintransport, waardoor we het transport iedere keer iets kunnen verbeteren’, vertelt Omar. Uiteindelijk moet dat leiden tot het bouwen van een echte spintransistor. ‘Dat zou de eerste stap zijn naar het bouwen van logische circuits gebaseerd op spintransport. Dit nieuwe onderzoek brengt dat weer een stap dichterbij.’

Referentie: S. Omar, B.J. van Wees and I.J. Vera-Marun: A two-channel model for spin-relaxation noise. Physics Review B, 2017, DOI 10.1103/PhysRevB.96.235439

Lees meer over het onderzoek van hoogleraar Fysica van Nanodevices Bart van Wees op de website van de Rijksuniversiteit Groningen.