Gebogen nanokanaaltjes brengen efficiëntere chips dichterbij

Om de efficiëntie van microchips te vergroten kijken onderzoekers naar de mogelijkheden van 3D chips. Maar componenten die werken met de spin van elektronen, in plaats van hun lading, zijn eigenlijk altijd plat. Om deze componenten aan 3D elektronica te koppelen heeft RUG-natuurkundige Kumar Sourav Das gebogen kanaaltjes voor spintransport gemaakt. Samen met zijn collega’s ontdekte hij dat die nieuwe geometrie het mogelijk maakt om de lading- en spinstroom los van elkaar te beïnvloeden. De resultaten zijn op 13 september online gepubliceerd door het tijdschrift Nano Letters.

Das begon zijn werk met twee belangrijke vragen: hoe kun je de spinstroom afstellen met behulp van de vorm van de kanaaltjes, en hoe is spintransport mogelijk te maken in een 3D nanostructuur. Die spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, een vorm van magnetisch moment waarmee het mogelijk is om informatie te versturen of op te slaan. Spin wordt al gebruikt in computergeheugens, maar dat zou ook in logische circuits kunnen.

‘Tot nu toe was spintronica altijd gebaseerd op een platte structuur. Wij wilden weten hoe spinstromen zich gedragen in een gebogen kanaaltje’, vertelt Das. Hij gebruikte een substraat van silicium oxide waarin geultjes gemaakt zijn met een ionenstraal, een ontwerp van Denys Makarov van onderzoekscentrum HZDR in Dresden. Das liet hier nanokanaaltjes van aluminium op groeien, die dwars door de geulen liepen. Door deze gebogen architectuur was de dikte van het aluminium op nanoschaal niet overal gelijk.

Das gebruikte geulen van verschillende grootte en mat zowel de spinweerstand als de ladingsstroom. ‘Wat wij ontdekten is dat de variatie in de grootte van de geulen het transport van spin en van lading verschillend beïnvloedde’, legt Das uit. ‘Dus kunnen we de spin- en ladingsstroom onafhankelijk van elkaar aanpassen, via de vorm van de kanaaltjes.’

Zijn collega Carmine Ortix van de Universiteit Utrecht ontwikkelde een theoretisch model dat dit fenomeen beschrijft. ‘Onze theorie laat overtuigend zien dat het mogelijk is om het gedrag van spin en lading onafhankelijk van elkaar af te stellen, alleen door de vorm van het materiaal te veranderen. Hiermee kunnen we technische problemen oplossen die de toepassing van spintronica in moderne elektronica nu nog in de weg staan’, aldus Ortix. ‘Door platte structuren te verbinden aan driedimensionale kunnen we de bestaande mogelijkheden daarvan uitbreiden of zelfs totaal nieuwe functionaliteit krijgen, alleen maar door de vorm van het materiaal gericht aan te passen.’

‘Dit is een belangrijke ontdekking, omdat het zo mogelijk is om de spin- en elektronenstroom van spintronische componenten zo af te stellen dat ze goed aansluiten op elektronische circuits’, vervolgt Das. ‘Op die manier kunnen we spin injectie of -detectie en spintransistoren integreren in moderne 3D circuits.’ Dat kan zuiniger elektronica opleveren, aangezien spintronica doorgaans bij een lagere spanning werkt. ‘En we kunnen het model gebruiken om onze kanaaltjes af te stemmen op specifieke toepassingen.’

Het onderzoek maakt deel uit van het Future and Emerging Technologies (FET) EU project ‘Curved nanomembranes for Topological Quantum Computation’. De experimenten zijn in Groningen bedacht en begeleid door Ivan Vera-Marun, die later naar de universiteit van Manchester verhuisde. Kumar Sourav Das voerde het werk uit, als onderdeel van zijn promotieonderzoek bij de afdeling Fysica van Nanodevices, geleid door professor Bart van Wees. Deze groep is onderdeel van het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG. Het theoretisch model is gemaakt door Carmine Ortix (Universiteit Utrecht), samen met collega’s uit Italië.

Referentie: Kumar Sourav Das, Denys Makarov. Paola Gentile. Mario Cuoco, Bart J. van Wees, Carmine Ortix and Ivan J. Vera-Marun: Independent Geometrical Control of Spin and Charge Resistances in Curved Spintronics. Nano Letters 13 September 20119