Theoretisch model kan moleculair mysterie mogelijk oplossen

Spintronica is een veelbelovend energiezuinig alternatief voor gewone microelectronica. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die je kunt voorstellen als elektronen die rondtollen om hun as, waarbij ze zich gedragen als kleine kompasnaaldjes. Een stroom van elektronenspins is te gebruiken in elektrische schakelingen, maar om zo’n spinstroom op te wekken is een relatief grote magneet nodig. Een alternatieve methode gebruikt een speciaal type moleculen, maar daarbij is het de vraag of dit echt werkt. RUG promovendus Xu Yang heeft een theoretisch model ontwikkeld dat beschrijft hoe je dit kunt testen.

Spin kan twee richtingen hebben, doorgaans ‘op’ en ‘neer’ genoemd. In een gewone elektronenstroom vind je gelijke hoeveelheden van beide richtingen. Maar als je met spinstromen informatie wilt doorgeven, moet je een overmaat van één van beide hebben. Dit gebeurt doorgaans door elektronen in een spintronische schakeling te injecteren via een ferromagneet, die een van beide spintypen gemakkelijker door laat. ‘Maar die ferromagneten zijn nogal groot vergeleken bij andere componenten’, zegt Yang.

DNA

Daarom kreeg een doorbraak die in 2011 in het tijdschrift Science is gepubliceerd nogal wat aandacht. ‘Dit artikel beschreef hoe je een overmaat van één type spin kon krijgen door stroom door een monolaag van de dubbele DNA helix te sturen.’ DNA moleculen zijn chiraal, ze bestaan in twee vormen die elkaars spiegelbeeld zijn, zoals een linker- en rechterhand. Dit fenomeen is dan ook Chiraal geïnduceerde Spin Selectiviteit (CISS) genoemd. De afgelopen jaren zijn er verschillende experimenten gepubliceerd die claimen dit CISS effect aan te tonen, zelfs in gewone elektronische schakelingen.

‘Maar wij hadden zo onze twijfels’, legt Yang uit. Een type experiment gebruikte een monolaag van DNA fragmenten, een ander gebruikte een ‘atoomkracht microscoop’ om de stroom door één molecuul te meten. Verschillende chirale helices zijn bij deze experimenten gebruikt. ‘De modellen die verklaren waarom deze moleculen één type spin beter doorlaten zijn gebaseerd op nogal wat aannames, bijvoorbeeld over de vorm van de moleculen en het pad dat elektronen er doorheen nemen.’

Circuits

Daarom besloot Yang een algemeen geldend model te maken dat kan beschrijven hoe spins door verschillende circuits gaan die onder een lineair regime werken (dat wil zeggen, onder omstandigheden waarin gewone elektronica functioneert). ‘Deze modellen zijn gebaseerd op universele regels, onafhankelijk van het type molecuul’, legt hij uit. Een zo’n regel is ladingsbehoud, de regel dat elk elektron dat een circuit in gaat er ook weer uit moet komen. Een tweede regel is reciprociteit, wat wil zeggen dat wanneer je de spanning- en stroomcontacten omkeert in een circuit, het signaal gelijk blijft.

Vervolgens beschreef Yang hoe deze regels de doorgifte en reflectie van spin beïnvloedt in verschillende blokken, zoals bijvoorbeeld een chiraal molecuul en een ferromagneet tussen twee contactpunten. De universele regels stellen hem in staat uit te rekenen wat er in deze blokken gebeurt met de spins. Daarna gebruikte hij die blokken voor de bouw van complexere circuits. Zo kon hij uitrekenen wat hij mocht verwachten van circuits met chirale moleculen wanneer die al dan niet het CISS effect veroorzaken.

Overtuigend

Door de CISS experimenten die tot nu toe zijn gedaan te modelleren ontdekte Yang dat verschillende hiervan inderdaad niet doorslaggevend zijn. ‘Die experimenten zijn niet overtuigend. Ze laten volgens mijn berekeningen geen verschil zien tussen moleculen met en zonder CISS, in ieder geval niet in het lineaire regime van gewone elektronica.’ Bovendien bleek dat circuits met maar twee contacten nooit de aanwezigheid van CISS kunnen aantonen. Het goede nieuws is dat Yang circuits met vier contacten heeft ontworpen die dat wel kunnen. ‘Momenteel werk ik ook aan zo’n circuit, maar omdat het uit moleculaire bouwstenen bestaat is dat een hele uitdaging.’

Door zijn model nu te publiceren hoopt Yang dat meer onderzoekers zijn voorgestelde circuits gaan bouwen en zo uiteindelijk het bestaan van CISS in elektronische schakelingen kunnen bewijzen. ‘Dat zou een belangrijk bijdrage aan onze kennis zijn, die een hele nieuwe benadering van de toekomst van onze elektronica kan betekenen.’

Referentie: Xu Yang, Caspar H. van der Wal and Bart J. van Wees: Spin-dependent electron transmission model for chiral molecules in mesoscopic devices. Phys. Rev. B 22 January 2019