Efficiënte injectie en detectie van elektronen-spins

Natuurkundigen van de RUG hebben, samen met collega’s van de universiteit van Manchester (VK) een methode ontwikkeld om de richting van elektronenspins te controleren in schakelingen. Deze controle van de spin maakt het mogelijk om efficiënte en goedkope spintronica elektroden te maken die een toepassing kunnen vinden in magnetisch RAM geheugen. Het onderzoek dat deze ontdekking beschrijft is op 29 augustus 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Spinstromen vormen de basis van de spintronica, een technologie die snelle en energiezuinige elektronica kan opleveren. Die is niet gebaseerd op een stroom elektronen, maar op 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.

Een veel gebruikte methode om een spinstroom in een schakeling te ‘injecteren’ werkt via het zogeheten ‘spin Hall effect’, maar hiervoor zijn dure zware metalen nodig, zoals platina. Bovendien ligt de richting van de spins die zo worden geproduceerd al vast, deze ligt meestal in het vlak van het gebruikte materiaal. Vorige jaar ontdekten onderzoekers uit Groningen en Manchester een efficiënte manier om een elektrische spin injectie en detectie te realiseren, via een methode die zij het ‘afwijkende spin Hall effect’ noemden.

Magnetisatie

RUG-onderzoeker Kumar Sourav Das, de eerst auteur van zowel de publicatie uit 2017 als het nieuwe artikel in Nano Letters, zegt hierover: ‘Dit afwijkende spin Hall effect is een manier om een spinstroom op te wekken in een ferromagneet, waarbij de spins in lijn met de magnetisatie staan. Dat biedt een groot voordeel ten opzichte van het gewone spin Hall effect, omdat de richting van de spins dus is te manipuleren via de magnetisatie van de ferromagneet.’

Met behulp van deze techniek zijn de onderzoekers er in geslaagd spins waarvan de richting buiten het vlak van het materiaal ligt te injecteren en te detecteren. De stroomrichting staat loodrecht op de richting van de ladingsstroom, wat belangrijk is voor schakelingen waarin het hoekmoment van de spin ten opzichte van het magneetveld een rol speelt.

Sleutel

De sleutel van de ontdekking ligt in het gebruik van nanodraadjes van een eenvoudig ferromagnetisch materiaal (een nikkel-ijzer legering) voor de elektroden waarmee de spin wordt geïnjecteerd en gedetecteerd, en een isolerend magnetisch materiaal (het mineraal yttrium-ijzer granaat) waarin het transport via spingolven verloopt, wat zorgt voor een minimaal verlies van energie.

‘Deze materialen zorgen via het afwijkende spin Hall effect voor een zeer efficiënte injectie van spins in vergelijking tot bijvoorbeeld platina. Dit maakt het mogelijk om logische schakelingen te bouwen die werken op basis van spins. Ook zouden we verschillende ferromagneten kunnen gebruiken als efficiënte en goedkope elektrodes in spintronica, bijvoorbeeld om RAM geheugen te maken’, aldus Kumar.

Referentie: Kumar Sourav Das, Jing Liu, Bart J. van Wees, and Ivan J. Vera-Marun Efficient Injection and Detection of Out-of-Plane Spins via the Anomalous Spin Hall Effect in Permalloy Nanowires