Skip to ContentSkip to Navigation
Onderdeel van Rijksuniversiteit Groningen
Science LinX Science LinX nieuws

Nieuwe ontdekking brengt analoge spintronica dichterbij

17 december 2020

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.

Siddhartha Omar | Foto RUG
Siddhartha Omar | Foto RUG

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.’

Grafeen (lichtgroen) bedekt met boornitride (blauw. Meetpunten zijn aangegeven met strepen. | Illustratie Omar / RUG
Grafeen (lichtgroen) bedekt met boornitride (blauw. Meetpunten zijn aangegeven met strepen. | Illustratie Omar / RUG

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

Laatst gewijzigd:18 december 2020 08:58
View this page in: English

Meer nieuws

  • 18 maart 2024

    VentureLab North helpt onderzoekers op weg naar succesvolle startups

    Het is menig onderzoeker al overkomen. Tijdens het werken vraag je je opeens af: zou dit niet ontzettend nuttig zijn voor de mensen buiten mijn onderzoeksveld? Er zijn allerlei manieren om onderzoeksinzichten te verspreiden. Denk bijvoorbeeld aan...

  • 04 maart 2024

    Een plantaardige sensor

    In Makers van de RUG belichten we elke twee weken een onderzoeker die iets concreets heeft ontwikkeld: van zelfgemaakte meetapparatuur voor wetenschappelijk onderzoek tot kleine of grote producten die ons dagelijks leven kunnen veranderen. Zo...

  • 11 december 2023

    Join the 'Language and AI' community

    As a part of the Jantina Tammes School, the 'Language and AI' theme is an interdisciplinary initiative that aims to encourage collaboration among academics, PhD candidates, students, and industry representatives who share a keen interest in the...