Spin up, spin down

Spintronica, waarbij niet de lading van het elektron centraal staat maar het tollen om zijn as, belooft de informatietechnologie op zijn kop te zetten. Groningse fysici maakten een spinsandwich.

`Een kleine groep wetenschappers bereidt een nieuwe revolutie in de elektronica voor.' Zo begon vorig jaar in Nature (27 april 2000) een overzichtsartikel over spintronica. In plaats van elektronen te sturen via hun elektrische eigenschappen (bepaald door hun lading) kan ook gebruik worden gemaakt van hun spin, de eigenschap die hen gevoelig maakt voor een magneetveld. Gebruik van magnetisme biedt zicht op de verwezenlijking van elektronische componenten met ongekende eigenschappen, zoals zeer kleine lees- en schrijfkoppen voor een harde-schijfgeheugen met een enorme opslagcapaciteit. Ook biedt het mogelijkheden voor een magnetisch `random access'-computergeheugen (MRAM), waarin informatie behouden blijft als de stroom uitvalt.

Voor het zover is moeten er nog heel wat technische en fundamentele uitdagingen worden overwonnen. Friso Jedema, Andrei Filip en Bart van Wees, natuurkundigen van het Materialen Studie Centrum aan de Rijksuniversiteit Groningen, werken daar hard aan. Onlangs deden zij een experiment dat het mogelijk maakt het gedrag van de spin van elektronen in metalen beter te begrijpen. Zij slaagden er als eersten in om allerlei verstorende effecten uit te schakelen en direct zicht te krijgen op waar het in de spintronica allemaal om gaat: de `spinstroom' (Nature, 15 maart).

Spin is een eigenschap die voortkomt uit de quantummechanica, en die wel wordt voorgesteld als het tollen van elektronen om hun as. Dat kan op twee manieren: rechtsom of linksom. Gevolg daarvan is dat elektronen zich als kleine magneetjes gaan gedragen, die zich kunnen richten ten opzichte van een aangelegd magneetveld, met het veld mee (`spin-up') of er juist tegenin (`spin-down'). In een gewone elektrische stroom zijn er van elk van beide soorten steeds evenveel, maar in een spin-gepolariseerde stroom (`spinstroom') is die balans verstoord.

Zo'n spinstroom kan betrekkelijk eenvoudig worden opgewekt door elektronen in een magnetisch materiaal te leiden: atomen als ijzer en nikkel hebben ook een spin en die staan al (gedeeltelijk) dezelfde kant op gericht. Door een magneet in de buurt te houden wordt dat nog eens versterkt. Elektronen die door zo'n materiaal heen worden gestuurd nemen die voorkeursrichting (magnetisatie) over: er ontstaat een spinstroom.

simpele materialen

Tot nu toe was het niet goed mogelijk te meten wat er met de elektronen in zo'n spinstroom gebeurt bij de overgang van een magnetisch naar een niet-magnetisch materiaal. Van Wees: ``Ons experiment is eigenlijk heel elementair en we maken bovendien gebruik van simpele materialen, zoals koper. Het grote probleem was echter om er zeker van te zijn dat de tot nog toe kleine effecten die we meten ook inderdaad met de spinstroom te maken hebben.''

Promovendi Friso Jedema en Andrei Filip bedachten daar een oplossing voor. Gebruik makend van lithografische technieken zoals die ook in de micro-elektronicaindustrie worden toegepast, fabriceerden ze een spin-valve, een soort sandwich van twee elektroden (gemaakt van een veel gebruikte magnetische legering van ijzer en nikkel) met daartussen een laagje koper, dat niet magnetisch is. Een uitwendig magneetveld zorgt ervoor dat de magnetisatierichting in de elektroden parallel komt te staan. De spins van de elektronen die de spin-valve passeren worden daardoor `opgelijnd' en ondervinden een relatief kleine weerstand bij het passeren van het koperlaagje. Dat verandert als de richting van het aangelegde magneetveld langzaam wordt veranderd.

Van Wees: ``Door de elektroden een verschillende vorm en dikte te geven, klapt de richting van de magnetisatie op verschillende momenten om. Daardoor kunnen we op een heel gecontroleerde manier switchen van een parallelle naar een anti-parallelle oriëntatie en weer terug.'' Dat omklappen gaat gepaard met een kleine, maar meetbare verhoging in de weerstand die de spinstroom ondervindt. `Spin-up' elektronen worden, als ze het koper zijn overgestoken, geconfronteerd met de tweede magnetische elektrode waarin de voorkeursrichting `spin down' is. Daardoor ontstaat extra weerstand. Dit werkt echter alleen als de elektronen onderweg hun spingeheugen niet verliezen. Uit hun experimenten konden de Groningse onderzoekers afleiden dat dit in het koper gebeurt over een afstand van ongeveer een duizendste millimeter. Van Wees: ``Dat lijkt kort, maar de typische afmetingen van de duidige elektronische schakelingen zijn al veel kleiner. In principe is het dus mogelijk om de elektronenspin te gaan gebruiken in elektronische componenten, zoals een spin-transistor.''

De door Van Wees en zijn collega's gemeten veranderingen in weerstand bedragen niet meer dan een milli-ohm, veel te klein voor praktische toepassingen. Een veel groter effect, Giant Magneto Resistance (GMR), werd echter zo'n jaar of tien geleden ontdekt. Tegenwoordig wordt het succesvol toegepast in de nieuwste generatie leeskoppen voor harde schijven. In zo'n kop zijn een heleboel magnetische laagjes op elkaar aangebracht met steeds een tegengestelde magnetische voorkeursrichting. Een spinstroom ondervindt in zo'n sandwichstructuur een grote weerstand. Dat verandert wanneer de leeskop in de buurt komt van een magnetisch domeintje (een `bit') op een harde schijf. Dat zorgt ervoor dat het magneetveld in alle laagjes dezelfde kant op gaan staan, waardoor de stroom plotseling sterk toeneemt.

satellieten

Omdat dit GMR-effect extreem gevoelig is, kunnen de bits op een harde schijf nog kleiner worden gemaakt. Door een heleboel spin-valves onderling met elkaar te verbinden, kunnen ze ook als geheugen dienen. Een groot voordeel is dat ze, als de stroom wegvalt, hun oriëntatie behouden en er geen informatie verloren gaat. Zowel Honeywell, IBM als Motorola hebben MRAM-geheugens ontwikkeld op basis van dit principe, bijvoorbeeld voor toepassing in satellieten waar het tijdelijk wegvallen van de stroom catastrofale gevolgen kan hebben. Voorlopig zijn ze nog te duur om te worden verwerkt in consumentenelektronica, maar dat kan snel veranderen.

Van Wees ziet als belangrijkste volgende stap het toepassen van spinstromen in halfgeleiders. Die moeten wel eerst magnetisch gemaakt worden, bijvoorbeeld door het implanteren van geschikte atomen. Van Wees: ``Bij lage temperaturen zijn in dat soort halfgeleiders soortgelijke effecten gezien als in metalen, maar het is op dit moment nog niet mogelijk om dat bij kamertemperatuur vast te houden.''

Toch zullen halfgeleider spin-valves en zelfs spin-transistoren niet lang meer op zich laten wachten, zo gaven onderzoekers vorig jaar in Nature te kennen. Ook Van Wees ziet een veelbelovende toekomst voor de spintronica. ``Zowel op fundamenteel als op toegepast niveau.''