Groningse onderzoekers maken spingolftransistor

Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen zijn er in geslaagd een stroom van spingolven die door een magneet lopen te veranderen met een elektrische stroom. Dit is een grote stap in de ontwikkeling van een vorm van elektronica die mogelijk zuiniger met energie omgaat. De resultaten zijn op 2 maart gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen die er voor zorgt dat ze zich gedragen zich als een soort kleine kompasnaaldjes die naar boven of beneden kunnen wijzen. Hiermee is het mogelijk informatie te versturen of op te slaan via zogeheten spintronische schakelingen, die een aantal interessante eigenschappen hebben.

In een normale computer zijn bijvoorbeeld twee aparte systemen nodig voor verwerking en opslag van data: elektronische transistors en een magnetische harde schijf. Spintronica kan beide in één systeem verenigen waardoor het transport tussen verwerkingseenheid en opslagmedium niet meer nodig is. Bovendien is het mogelijk spin-informatie op te slaan zonder dat daar stroom voor nodig is, wat wel moet bij het gewone RAM geheugen. Bij elkaar betekent dit dat met spintronica in principe snellere en energiezuiniger computers zijn te bouwen.

Wave

Maar er is nog veel meer fundamentele kennis nodig voordat het zover is. De afdeling Fysica van Nano Devices van RUG-hoogleraar natuurkunde Bart van Wees, verbonden aan het Zernike Institute of Advanced Materials, is toonaangevend op dit terrein. In hun meest recente publicatie beschrijven zij een spin-transistor die werkt op basis van zogeheten magnonen. Dit zijn spingolven die alleen ontstaan in magnetisch materiaal. ‘Je kunt magnonen zien als een golf of als een deeltje, net als elektronen’, vertelt Ludo Cornelissen, promovendus bij Van Wees en eerste auteur van het artikel.

In de beschreven experimenten hebben Cornelissen en Van Wees magnonen opgewekt in materiaal dat magnetisch is maar geen stroom geleidt. Elektronen kunnen dus niet door deze magneet stromen, maar de spingolven kunnen dat wel - net zoals een 'wave' door een stadion golft zonder dat de toeschouwers zich verplaatsen. Cornelissen gebruikte een strookje platina om magnonen te ‘injecteren’ in de magneet van yttrium ijzer granaat (YIG). ‘Wanneer er een elektronenstroom door die strook gaat, verstrooien de elektronen zich door de wisselwerking met de zware atomen, via een proces dat het ‘spin Hall effect’ heet. De richting van de verstrooiing hangt af van de spin van de elektronen. Het resultaat is dat elektronen met spin op en spin neer gescheiden worden.’

Botsen

Op het grensvlak van platina en YIG botsen de elektronen terug, want ze kunnen de (niet geleidende) magneet niet in. ‘Bij die botsing draait de spinrichting om, van op naar neer of andersom. En dat veroorzaakt een vergelijkbare draai van spins in de YIG magneet. Op die manier maak je spingolven, de magnonen, in de magneet.’ Verderop in de magneet kun je die magnonen detecteren met een tweede platina strip.

‘Spintransport door een magneet hebben we al eerder beschreven. Maar nu zetten we de volgende stap: het beïnvloeden van het spintransport.’ Dit gebeurde door een derde strook platina die tussen de twee andere is aangebracht. Door hier een positieve of negatieve stroom op te zetten is het mogelijk om extra magnonen in de magneet te injecteren, of juist magnonen te verwijderen. ‘Daarmee werkt onze opstelling net als een veldeffecttransistor. In zo’n transistor verhoogt of verlaagt een ‘gate’ elektrode het aantal vrije elektronen in het geleidingskanaal via een elektrisch veld. Meer vrije elektronen vergroot de stroom, minder elektronen blokkeert die.

Cornelissen en zijn medeauteurs laten zien dat het toevoegen van magnonen de spinstroom vergroot, terwijl het verwijderen van magnonen die stroom verlaagt. ‘We zijn nog niet in staat de magnonenstroom helemaal uit te zetten, maar toch werkt deze schakeling als een echte transistor’, zegt Cornelissen. Theoretische modellen laten zien dat het mogelijk moet zijn een sterkere afname van magnonen te bereiken en de magnonenstroom uit te zetten, simpelweg door het materiaal van de experimentele schakeling dunner te maken.

Supergeleiding

En er is nog een interessante mogelijkheid, legt Bart van Wees, de begeleider van Cornelissen, uit: ‘In een dunnere schakeling zou het mogelijk moeten zijn om de aantallen magnonen in het geleidingskanaal zo sterk te verhogen dat er een Bose-Einstein condensaat ontstaat.’ Dit fenomeen is verantwoordelijk voor supergeleiding. En, in tegenstelling tot supergeleiding van elektronen die alleen bij zeer lage temperaturen optreedt zou dit voor magnonen bij kamertemperatuur kunnen gebeuren.

Het onderzoek laat dus zien dat het mogelijk is een spin transistor te maken met YIG en dat dit materiaal op termijn misschien wel een spin supergeleider kan opleveren. Het mooie van dit systeem is verder dat de spin injectie en controle over de spinstroom bereikt worden met een simpele gelijkstroom, zodat deze spintronica schakelingen eenvoudig te integreren zijn met klassieke elektronica. ‘De volgende stap is om al die mogelijkheden ook realiteit te maken’, besluit Van Wees.

Referentie: L.J. Cornelissen, J. Liu, R.A. Duine and B.J. van Wees: Spin-current-controlled modulation of the magnon spin conductance in a 3-terminal magnon transistor. Physical Review Letters 2 Maart 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.097702

Zie ook dit achtergrondverhaal: Focus: A Trio of Magnon Transistors in Phys Rev Lett.