17 feb. 1999
3 minuten
Onderzoekers van IBM en de ETH Zurich zijn er in geslaagd om de elektronenspin in halfgeleiders in kaart te brengen en te manipuleren. Zo konden zij een stabiele spin-helix vormen. Dit is van belang voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie elektronica: de spintronica.
Tot nog toe was het onduidelijk of elektronenspins hun informatie lang genoeg vasthouden om er praktisch gebruik van te kunnen maken. Wetenschappers van IBM Research en het Solid State Physics Laboratory van de ETH Zurich demonstreerden dat het synchroniseren van elektronen de levensduur van de spin met een factor 30 kon verlengen tot 1,1 ns. Dat is even lang als de klokcyclus van een 1 GHz processor.
De nu gangbare computertechnologie codeert en bewerkt data met behulp van de elektrische lading van elektronen. Deze techniek heeft echter zijn beperkingen wanneer de afmetingen van de halfgeleiders zo ver worden verkleind dat de elektronenstroom niet meer kan worden beheerst. Spintronica zou de aanstaande impasse kunnen doorbreken door gebruik te maken van de elektronenspin in plaats van de lading. De nieuwe onderzoeksresultaten tonen niet alleen een voorheen niet haalbare beheersing van de magnetische bewegingen maar openen ook mogelijkheden voor elektronica die efficiënter omgaat met energie.
De spintronica-wals
De onderzoekers ontdekten een nog niet eerder waargenomen aspect van de fysica: zij zagen dat elektronenspins in een halfgeleider tientallen micrometers bewogen waarbij de oriëntatie langs de afgelegde weg draaide, zoals een danspaar al walsend draait. Dr. Gian Salis van de onderzoeksgroep Physics of Nanoscale Systems van IBM Research in Zürich legt uit: "Als alle dansparen beginnen met het gezicht van de vrouwen naar het noorden, zijn na een tijdje de dansende paren in verschillende richtingen georiënteerd. We kunnen nu de rotatiesnelheid van de dansers koppelen aan de richting waarin ze bewegen. Dat resulteert in een perfecte choreografie waarbij alle vrouwen in een bepaald gebied dezelfde kant opkijken. Deze beheersing en de mogelijkheid om de spin te manipuleren en observeren is een belangrijke stap in de ontwikkeling van spin-transistoren die elektrisch programmeerbaar zijn."
Hoe werkt het
De IBM’ers gebruiken ultrakorte laserimpulsen om de evolutie te bekijken van duizenden elektronenspins die gelijktijdig op een zeer kleine plek zijn gecreëerd. Waar normaliter zulke spins willekeurig zouden roteren en hun oriëntatie snel zouden verliezen, konden de onderzoekers voor het eerst waarnemen hoe deze spins zich netjes arrangeerden in een regelmatig patroon, de zogenoemde persistente spin-helix.
Het theoretische concept van het ‘locken’ van de spinrotatie stamt al uit 2003 maar tot nu toe was het nog niet rechtstreeks waargenomen. De onderzoekers bekeken de synchrone wals van de elektronenspin met behulp van een scanning microscoop. De synchronisatie van de elektronenspinrotatie maakte het mogelijk om de spins te zien ‘reizen’ over een afstand van meer dan 10 micrometer, en dat brengt de mogelijkheid dichterbij om de spin te gebruiken voor logische bewerkingen – zowel snel als efficiënt.
De synchrone spinbeweging werd verkregen door een zorgvuldig ontwikkelde spin-orbit interactie, een fysisch mechanisme waarbij de spin wordt gekoppeld aan de beweging van het elektron. Het gebruikte halfgeleidermateriaal was galliumarsenide.
De stap van het laboratorium naar de markt is nog een hele grote. Spintronica-onderzoek vindt plaats bij heel lage temperaturen waarbij minimale interactie is tussen de spins en de omgeving. In dit onderzoek werd gewerkt op 40 Kelvin (-233 ºC).
"Direct mapping of the formation of a persistent spin helix" M.P. Walser, C. Reichl, W. Wegscheider en G. Salis, Nature Physics, DOI 10.1038/NPHYS2383 (12 augustus 2012)
Anderen lazen ook
