Spinbeheersing: stap naar chips op basis van draaiing elektron

Onderzoekers van de Technische Universiteit Twente is het gelukt om in silicium bij kamertemperatuur de spin van elektronen in een elektrische stroom te controleren. Deze ontdekking brengt een nieuwe generatie microchips op basis van magnetisme een stap dichterbij (Nature, 26 november).

De beheersing van de elektronenspin is belangrijk omdat die elektronenspin een alternatieve manier biedt om nullen en enen (bits) weer te geven in geheugens of logische schakelingen. Tot nu toe gebeurt dat door gebruik te maken van de lading van elektronen. Het omzetten van een 0 in een 1 door het verschuiven van lading kost echter een bepaalde minimale hoeveelheid energie, en deze fundamentele limiet is zo langzamerhand bijna in zicht. Om componenten toch nog verder te kunnen verkleinen, is het idee gebruik te maken van het feit dat elektronen om hun as tollen. Daardoor wekken ze een piepklein magneetveldje op, de spin, en die is ook bruikbaar als informatiedrager: in een uitwendig magneetveld kan zo’n elektronenmagneetje zich op twee manieren richten: met het veld mee of er juist tegenin? Een nul of een één? Door elektronenspins te manipuleren kunnen data nog energiezuiniger worden verwerkt en nog compacter worden opgeslagen: van elektronica naar spintronica.

Om met spins te kunnen rekenen, is echter een elektrische stroom nodig waarin niet evenveel elektronenspins omhoog als omlaag staan. In een magnetisch materiaal is het eenvoudig om dat voor elkaar te krijgen, maar de halfgeleiders waar de elektronische industrie nu eenmaal graag mee werkt, zijn niet magnetisch. Via allerlei trucs bleek het de laatste jaren mogelijk om zelfs in silicium een spinstroom op te wekken, al moest het silicium daar wel behoorlijk voor afgekoeld worden, en dat is op zijn zachtst gezegd onpraktisch. De groep van het MESA Instituut voor Nanotechnologie onder leiding van Ron Jansen vonden precies de goede sandwich van materialen: een magnetisch materiaal, dat door een ultradun, isolerend laagje van maar een paar atomen dik is gescheiden van het onderliggende silicium. Rob van den Berg