Stichting FOM
28 september 2010, 2010/31
Computer kan eigen warmte gebruiken
Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting FOM
zijn erin geslaagd om met behulp van een warmtestroom een deel van het
magnetisch moment van een magneet over te brengen naar een ander,
niet-magnetisch metaal. Het transporteren van een magnetische spin kan
worden gebruikt om informatie over te brengen. Deze ontdekking kan dan
ook leiden tot efficiëntere geheugenelementen voor bijvoorbeeld moderne
'solid-state' harde schijven van een computer. De onderzoekers hebben
hun resultaten gepubliceerd in de gerenommeerde tijdschriften Nature
Physics (19 september) en Physical Review Letters (24 september).
Figuur 1. Schematische weergave van de werking van het experiment
vergroten Figuur 1. Schematische weergave van de werking van het
experiment
De verwarming van de grote magneet (FM ) in dit geheugenelement
gebeurt door middel van een grote elektrische stroom J . De afvoer
van warmte van de magneet verloopt vervolgens via een goed thermisch
geleidend contact, zodat er een warmtestroom Q ontstaat over het
raakvlak tussen de magneet (blauw) en metaal (geel). Dit transport van
warmte veroorzaakt een overdracht van spins tussen de magneet en het
metaal. Een tweede magneet (FM ) detecteert het getransporteerde
magnetisch moment en zet dit om in een meetbaar voltage.
Figuur 2. Afbeelding van geheugenelement
vergroten Figuur 2. Afbeelding van geheugenelement
Afbeelding van een geheugenelement gemaakt met een
elektronenmicroscoop.
Het elektrisch beschrijven van geheugenelementen genereert een
behoorlijke hoeveelheid warmte, een ongewenst neveneffect. Onderzoekers
Abraham Slachter, Frank Bakker en Jean-Paul Adam van de groep van
FOM-werkgroepleider Bart van Wees hebben nu laten zien dat die warmte
ook nuttig gebruikt kan worden. Door dit nieuwe warmte-effect slim
samen te laten samenwerken met de huidige techniek voor het beschrijven
van geheugenelementen zou de efficiëntie van dit proces aanzienlijk
kunnen verbeteren, stellen de onderzoekers.
Spin
Het magnetisch moment van een elektron, de 'spin', ligt aan de basis
van magnetische dataopslag. In ferromagneten wijzen al deze spins
dezelfde kant op en samen vormen zij de magnetisatie van de magneet. De
data wordt weggeschreven in magnetische domeinen, de 'bits'. Binnen
zo'n domein zijn alle spins óf omhoog (één) óf omlaag (nul) gericht.
Een relatief nieuwe, veelbelovende techniek maakt gebruik van de
uitwisseling van spins tussen twee magnetische lagen voor het
beschrijven en uitlezen van de geheugenelementen. In de huidige
techniek gebeurt dit met behulp van elektrische stroom. Deze volledig
elektrisch beschrijfbare geheugenelementen zijn beter bekend als MRAM
(Magnetic Random Access Memory) en gebaseerd op het spin-torque effect.
Het onderzoek
De onderzoekers tonen nu aan dat het ook met warmtestroom mogelijk is
om spins uit te wisselen en zo een MRAM-cel te beschrijven. Hun eerste
experiment is opgezet om meer informatie te krijgen over de warmte die
vrijkomt in geheugenelementen. Ze demonstreren dat warmtestromen een
groot effect hebben op de elektrische signalen die gebruikt worden voor
het uitlezen van deze geheugenelementen. Daarnaast laten ze zien dat
het warmteprofiel is 'uit te lezen' met behulp van thermo-elektrische
metingen. In het tweede experiment laten ze zien dat ze, door middel
van het verwarmen van een magneet, spins kunnen onttrekken én
transporteren naar een niet-magnetisch materiaal. Het warmte-effect
blijkt groot genoeg te zijn om toegepast te kunnen worden voor het
beschrijven van geheugenelementen in MRAM, en dus in plaats van of
naast de elektrische stroom gebruikt worden.
Spin-caloritronica
De nu gepubliceerde resultaten staan aan de wieg van de
'spin-caloritronica', een nieuw onderzoeksgebied binnen de
spin-elektronica, dat de rol van het magnetisch moment van elektronen
in warmtetransport bestudeert.
Dit onderzoek is mede gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel
Onderzoek der Materie, EU-project DynaMax, NanoNed and the Zernike
Institute for Advanced Materials.
Meer informatie
Voor meer informatie kunt u kijken op nanodevices.nl of kunt u contact
opnemen met één van de onderzoekers:
Bart van Wees, (050) 363 49 33.
Abraham Slachter, (050) 363 48 80.
Frank Bakker, (050) 363 89 73.
Referenties
'Interplay of Peltier and Seebeck effects in nanoscale nonlocal
spin valves', Physical Review Letters 2010.
'Thermally driven spin injection from a ferromagnetic into a
non-magnetic metal', Nature Physics 2010.