Stichting FOM
26 november 2009
Doorbraak in 'spintronica' kan leiden tot energiezuiniger chips
Voor het eerst bij kamertemperatuur: van magneet naar silicium
Onderzoekers van het MESA^+ Instituut voor Nanotechnologie van de
Universiteit Twente en de Stichting FOM zijn erin geslaagd om
informatie die is opgeslagen in een magnetisch materiaal, rechtstreeks
door te sluizen naar een halfgeleider. Het is voor het eerst dat dit
bij kamertemperatuur kan, en deze doorbraak betekent dat veel
energiezuiniger elektronica, of 'spintronica' mogelijk wordt. De
onderzoekers publiceren hun resultaten in Nature van 26 november 2009.
Tot nu toe was de koppeling van een magnetisch materiaal aan een
halfgeleider alleen succesvol bij extreem lage temperaturen. Dat die
koppeling nu succesvol werkt bij kamertemperatuur, is een beslissende
stap voor een nieuwe benadering van elektronica. Het grote voordeel
van die nieuwe 'spintronica' technologie is een lager energieverbruik:
in huidige computer chips is de grote warmteontwikkeling al een
probleem, en dit zou in de toekomst teveel een beperkende factor
worden.
Van nature digitaal
Spintronica kijkt niet, zoals gebruikelijk, naar de láding van het
elektron en het transport van die lading, maar naar een andere
belangrijke eigenschap die het elektron heeft, de 'spin'. De draaiing
van het elektron wordt gerepresenteerd door een spin die omhoog of
omlaag wijst. In het magnetische materiaal kan daarmee een '1' of een
'0' worden opgeslagen. Het is nu de kunst om deze spin ook over te
brengen naar het halfgeleidermateriaal, zodat de informatie daar
verder verwerkt kan worden in nieuwe elektronische componenten. Die
componenten zullen naar verwachting veel energiezuiniger zijn, omdat
bewerkingen zoals het laten omklappen van de elektronspins, veel
minder energie kosten dan het gebruikelijke ladingtransport.
Enkele atoomlagen dik
De koppeling bij kamertemperatuur bereiken de onderzoekers door een
ultradun - minder dan een nanometer dik - laagje aluminiumoxide aan te
brengen tussen de ferromagneet en de halfgeleider: het is slechts
enkele atoomlagen dik. De dikte en kwaliteit van dit laagje zijn
cruciaal. De informatie wordt overgebracht door een stroom via dit
laagje de halfgeleider in te sturen, zodat daarin op een
gecontroleerde manier magnetisme ontstaat. Dat de methode werkt met
silicium is heel belangrijk: dat is nu eenmaal het meest gebruikte
elektronische materiaal, waarvoor al zeer geavanceerde
fabricagetechnieken voorhanden zijn. In het silicium kunnen de
elektronen met hun spin-informatie doordringen tot enkele honderden
nanometers diep. Ruim voldoende voor een goede werking in
nanoelektronica componenten, aldus onderzoeker Ron Jansen. De volgende
stap is nu: nieuwe elektronische componenten en circuits bouwen en
daarmee spininformatie manipuleren.
Het spintronica onderzoek, uitgevoerd onder leiding van Ron Jansen, is
mede mogelijk gemaakt dankzij financiering door de Stichting FOM en
dankzij de Vidi-subsidie die Jansen eerder ontving van NWO.
Het artikel 'Electrical creation of spin polarization in silicon at
room temperature' van Saroj Dash, Sandeep Sharma, Ram Shanker Patel,
Michel de Jong en Ron Jansen verschijnt op 26 november 2009 in Nature.