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 en Physical Review Letters.
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.
Referenties
[1] ‘Interplay of Peltier and Seebeck effects in nanoscale nonlocal spin valves‘, Physical Review Letters 2010
[2] ‘Thermally driven spin injection from a ferromagnetic into a non-magnetic metal‘, Nature Physics 2010
Figuur 1. Schematische weergave van de werking van het experiment. De verwarming van de grote magneet (FM1) in dit geheugenelement gebeurt door middel van een grote elektrische stroom Jc. 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 (FM2) detecteert het getransporteerde magnetisch moment en zet dit om in een meetbaar voltage.
Figuur 2. Afbeelding van een geheugenelement gemaakt met een elektronenmicroscoop.