Nieuwe ontdekking brengt analoge spintronica dichterbij

De observatie dat de spin van elektronen zich in grafeen niet-lineair kan gedragen maakt het eenvoudiger om spinsignalen te transporteren, manipuleren of detecteren of om spin in lading om te zetten. Daarnaast biedt het mogelijkheden voor analoge toepassingen zoals amplitudemodulatie en versterking van spinsignalen. Hiermee komt spintronica op het punt waar gewone elektronica zich bevond na de introductie van de eerste transistoren. Deze conclusies van RUG-natuurkundigen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review A op 17 december.

Spintronica is vorm van elektronica die gebruik maakt van de spin van elektronen, een magnetische eigenschap die de waarden ‘op’ en ‘neer’ kan hebben. Het 2D koolstof materiaal grafeen kan spins uitstekend geleiden, maar het is lastig om spins hierin te manipuleren (bijvoorbeeld omschakelen). Daarom zijn ferromagneten nodig bij injectie en detectie van spins en materialen die bestaan uit zware atomen om het mogelijk te maken de spins te manipuleren.

Verschil

Maar nu hebben RUG-wetenschappers aangetoond dat er in elektronen-spins niet-lineaire effecten zijn op te wekken met behulp van het 2D materiaal boornitride. Eerder lieten zij al zien dat injectie van spin in grafeen via boornitride waardoor een kleine regelstroom loopt, een veel sterkere spinstroom oplevert. Dit betekent dat er een groot verschil is tussen de aantallen spin-op en spin-neer elektronen, oftewel een groot verschil in spin-polarisatie. Nu hebben de onderzoekers aangetoond dat deze sterke polarisatie veroorzaakt is door niet-lineaire processen die de spin beïnvloeden.

In een lineaire situatie zouden twee spinsignalen bij elkaar optellen. Het niet-lineaire effect betekent dat ze met elkaar worden vermenigvuldigd. Het is mogelijk de sterke spinstromen in deze niet-lineaire toestand te meten zonder de noodzaak om ferromagneten te gebruiken. In de zwakke spinstromen in gewone op grafeen gebaseerde schakelingen kan dat niet. ‘Maar nu dus wel, dankzij het niet-lineaire effect dat ook nog eens toeneemt met de regelstroom’, zegt Siddhartha Omar, voormalig postdoc aan de RUG en eerste auteur van het artikel. ‘De polarisatie kan zelfs tot 100 procent gaan. Omdat het systeem met boornitride en een regelstroom niet-lineair is, hoef je er weinig in te stoppen om er heel veel uit te krijgen.’

Spinsignalen

In het gepubliceerde onderzoek laten Omar en zijn collega’s van de Physics of Nanodevices groep in het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG toepassingen zien van dit niet-lineaire effect voor eenvoudige analoge systemen, zoals amplitudemodulatie van spinsignalen. ‘Dit zouden we kunnen gebruiken om spintransport over langere afstanden mogelijk te maken. Daarnaast maakt een sterker spinsignaal ook de conversie van spin naar lading gemakkelijker, en zijn er geen ferromagneten nodig om spinstromen te detecteren.’

De mogelijkheid om het spinsignaal te moduleren, in plaats van het alleen maar aan of uit te kunnen zetten, maakt het eenvoudiger om schakelingen te bouwen voor spintronica. Omar: ‘Die zou je kunnen gebruiken in computers die werken als ons brein, waarin de schakelingen een hele reeks waarden tussen de 0 en 1 van een binaire schakeling kunnen hebben.’ Ook lijkt het mogelijk om een versterker voor spinstroom te bouwen, die met behulp van een kleine regelstroom een grote spinstroom kan produceren. ‘Misschien hebben we die al, maar dat is nog niet onomstotelijk bewezen’, zegt Omar.

Bruikbaar

Alle effecten zijn gemeten bij zeer lage temperaturen, maar ook bij kamertemperatuur. Ze zijn dus bruikbaar in toepassingen, zoals de bouw van niet-lineaire circuits voor geavanceerde spintronica. ‘De spintronica bevindt zich nu op het punt waar de gewone elektronica was ten tijde van de eerste transistoren. We kunnen nu echte spintronica-apparatuur maken’, besluit Omar.

Referentie: S. Omar, M. Gurram, K. Watanabe, T. Taniguchi, M.H.D. Guimaraes, and B.J. van Wees: Nonlinear analog spintronics with van der Waals heterostructures. Physical Review Applied 17 december 2020