Overdracht van spins in niet-geleidende magneet beter begrepen

Spintronica kan mogelijk een efficiëntere versie van elektronica beiden, door gebruik te maken van de zogeheten spin van elektronen. Maar ook magnonen, magnetische structuren die lijken op deeltjes en zich kunnen verplaatsen door niet-geleidend materiaal, kunnen spins verplaatsen. Voor de toekomst van de spintronica is het belangrijk om te weten hoe spins zijn over te dragen van elektronen naar magnonen. Onderzoekers van de RUG en de universiteit van Manchester laten nu zien hoe je die overdracht het best kunt onderzoeken, in een artikel dat op 21 februari is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters.

Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die het best is voor te stellen als de manier waarop elektronen rond hun as draaien, waardoor ze zich gedragen als kleine magneetjes. Deze spin kan twee richtingen hebben, traditioneel aangegeven met ‘op’ en ‘neer’. Dit is te gebruiken om informatie op te slaan of te versturen.

Niet alleen elektronen hebben een spin. In niet-geleidende magnetische materialen kunnen magnonen ontstaan. ‘Dat zijn een soort spin-golven’, zegt Ivan Vera Marun, onderzoeker aan de universiteit van Manchester. Magnonen verplaatsen zich zoals een ‘wave’ door een stadion trekt: de elektronen in het materiaal verplaatsen zich niet, maar hun spinrichting wel. Vera Marun publiceerde het artikel in Applied Physics Letters samen met zijn voormalige begeleider, RUG-hoogleraar Bart van Wees, met wie hij nog veel samenwerkt en twee oud-promovendi uit het lab van Van Wees, Kumar Das en Fasil Dejene.

Transistor

‘Het gebruik van magnonen voor spintronica heeft een aantal voordelen’, legt Vera Marun uit. ‘Ze kunnen zich verplaatsen door niet-geleidende magneten, wat betekent dat er heel andere materialen zijn te gebruiken dan voor spintransport via elektronen. En de spin in magnonen is te beïnvloeden via een magneetveld, zonder dat er elektrische stroom nodig is.’ Onderzoekers uit het lab van Van Wees publiceerden onlangs over de constructie van een magnon-transistor, terwijl twee andere laboratoria iets dergelijks ontwikkelden.

Maar om magnonen te gebruiken in spintronica is het nodig spins van elektronen om te zetten in magnonen, en omgekeerd. Hiervoor moeten verschillende materialen met elkaar in contact komen en de eigenschappen van die materialen moeten worden geoptimaliseerd voor de omzetting. In het nieuwe onderzoek analyseerden Vera Marun en collega’s de conversie van spins op het contactpunt op een nieuwe manier.

Een eerste kwestie die wij aanpakten was dat in veel studies een zogeheten ferromagneet wordt gebruikt om spins te injecteren in de niet-geleidende magneet. Maar die ferromagneet kan de magnetische eigenschappen daarvan beïnvloeden’, zegt Vera Marun. ‘Daarom gebruikten wij aluminium als transportkanaal voor de spin-injectie.’ Dat metaal is niet magnetisch en heeft bovendien een lage ‘spin-baan koppeling’, wat betekent dat de atomen niet veel invloed hebben op de spinrichting.

Temperatuur

In hun opstelling bestudeerden de onderzoekers hoe afhankelijk de omzetting van de spins was bij verschillende temperaturen. ‘Dit is nooit eerder gedaan, de meeste studies zijn bij één constante temperatuur uitgevoerd.’ In het nieuwe onderzoek is de zogeheten effectieve spin-menging geleiding (een maat voor de efficiëntie van de omzetting van elektronenspins naar magnonen) gemeten tussen een temperatuur van 4,2 Kelvin (net boven het absolute nulpunt) tot 293 Kelvin (kamertemperatuur). Het bleek dat het gemeten verband tussen temperatuur en efficiëntie keurig de theoretische voorspelling volgde. De theorie blijkt dus te kloppen. ‘Op die manier is weer iets van de twijfel opgeruimd die er tot nu toe was bij het interpreteren van eerdere experimenten, waarbij ferromagneten zijn gebruikt’, aldus Vera Marun.

Een tweede maat voor de efficiëntie van spin-omzetting is de ‘echte spin-menging geleiding’ Die wordt vaak berekend uit de effectieve spin-menging geleiding. ‘Wij zijn erin geslaagd om beide te meten in dezelfde opstelling. Daardoor konden we de directe meting vergelijken met de indirecte berekening. Daarbij vonden we verschillen, wat suggereert dat het soms betrouwbaarder is de echte spin-menging geleiding te berekenen uit de effectieve spin-menging geleiding.’

Hiermee heeft het onderzoek nieuwe gegevens opgeleverd voor de analyse van de efficiëntie van de omzetting van elektronenspins in magnonen in verschillende opstellingen. ‘Aan de hand van onze resultaten is het mogelijk eerdere studies beter te interpreteren’, zegt Vera Marun. ‘En het helpt ons bij de ontwikkeling van nieuwe, efficiëntere contacten voor de omzetting van spins in niet-geleidende magneten.’

Referentie: K. S. Das, F. K. Dejene, B. J. van Wees, and I. J. Vera Marun: Temperature dependence of the effective spin-mixing conductance probed with lateral non-local spin valves Applied Physics Letters 21 februari 2019