Sigaartjes schieten met laserlicht

Magnetiet wordt gebruikt in harddisks en cassettebandjes. En wie weet ook in computerchips van de toekomst.

Bijna driekwart eeuw was het een raadsel. Hoe komt het dat de ijzererts magnetiet (Fe3O4) bij 150 graden Celsius onder nul plotsklaps verandert? Van een materiaal dat elektrische stroom geleidt, wordt magnetiet dan ineens een isolator waarin de elektronen stevig ‘vastgevroren’ zitten. Chemicus Evert Verweij (1905-1981), ooit een van de directeuren van Philips Natlab, beschreef het al op 19 augustus 1939 in vakblad Nature. Een internationaal team onderzoekers heeft nu eindelijk opgehelderd hoe dat zo komt (Nature Materials, 28 juli 2013).

Het is geen wonder dat Verweij bij Philips magnetiet bestudeerde, want het materiaal heeft vele toepassingen. Al millennia staat het bekend als grondstof van de sterkste in de natuur voorkomende magneet – de zeilsteen. Meer recent werden en worden varianten erop gebruikt bij magnetische dataopslag op cassettebandjes en in harddisks. En nu biedt het nieuwe inzicht in de ‘Verweij-overgang’ hoop op volgende toepassingen, zeggen experts.

Uit de publicatie blijkt namelijk niet alleen hoe magnetiet schakelt van een niet geleidende toestand (‘uit’) naar een geleidende (‘aan’), maar ook hoe snel: in krap 1,5 picoseconde, ofwel 1,5 miljoenste van een miljoenste seconde. En snel schakelen is precies wat nodig is voor, bijvoorbeeld, supersnelle transistoren (aan-uitschakelaars) die de siliciumtransistoren op huidige computerchips moeten vervangen.

In de woorden van Mark Golden, co-auteur en hoogleraar in Amsterdam: “precies het soort droommateriaal dat velen van ons hopen te kunnen inzetten voordat de huidige chiptechnologie op zijn grenzen stuit, de wet van Moore [die zegt dat de snelheid van chips elke twee jaar verdubbelt, red.] niet langer geldt, en de wereld in een data-cold-turkey-mega-recessie stort.” Oef.

Maar wat heeft het team gedaan? Allereerst koelde het een brokje magnetiet af tot 80 Kelvin (193 graden Celsius onder nul). Dat is ver onder de zogeheten Verweij-overgang en in deze koude zitten de elektronen dus stevig ‘vastgevroren’.

Al eerder was ontdekt dat zogeheten ‘trimeronen’ – sigaarvormige groepjes van steeds drie ijzeratomen – daarin een grote rol spelen. De trimeronen vormen samen een netwerk en juist al deze ‘sigaren’ sluiten de elektronen op.

Het team schoot dat netwerk eigenlijk simpelweg kapot, door met een infrarode laserpuls ongeveer een kwart van de trimeronen te ontmantelen. Het hele knappe was dat ze vervolgens met ultrakorte röntgenlaserpulsen (10 femtoseconde, ofwel 10 miljoenste van een miljardste seconde) uit de Linac Coherent Light Source van het versnellercentrum SLAC in Stanford óók snapshots maakten, die vastlegden wat er in het materiaal gebeurde.

Rond de kapot geschoten trimeronen ontstaan eilandjes waarin elektronen weer bewegingsvrijheid hebben, zagen de onderzoekers. En die eilandjes vormen al snel een netwerk dat door het hele materiaal loopt. Zo ontstaan in het met de laserpuls opgewarmde materiaal paden, waarlangs als vanouds weer elektrische stroom kan lopen. Ofwel: het magnetiet is weer geleidend. Allemaal in 1,5 picoseconde.

“Baanbrekend”, vindt Thom Palstra, hoogleraar in Groningen en metaaloxide-expert. Theoretisch gezien is het bijzonder dat de elektronen razendsnel alweer gaan bewegen, ruim voordat de veel tragere atomen zich in het kristalrooster herschikt hebben, zegt hij. In praktische zin is het mooi dat een tikje met een infrarode pulsvoldoende blijkt om dat proces in gang te zetten. “Want die technologie kun je naar computerchips vertalen.”

Juist daarom willen Nederlandse materiaalexperts nu samen met Golden en onderzoekers uit Stanford de metaaloxides nader onderzoeken. Hans Hilgenkamp, hoogleraar in Twente, is één van hen. “We willen dunne lagen van verschillende metaaloxides stapelen en zo spelen met hun eigenschappen.” Hopelijk levert dat een snel schakelend materiaal bij kamertemperatuur, want koelen tot 120 Kelvin is op een computerchip wél een bezwaar.

Maar snelheid is niet alles, waarschuwt Hilgenkamp. “Materialen als grafeen en silicium schakelen ook snel. Het extra voordeel van metaaloxides is dat ze potentieel ook heel energiezuinig schakelen. En je kunt er tot drie keer kleinere transistoren van maken dan van silicium.”