Doorbraak in ‘spintronica’ kan leiden tot energiezuiniger chips

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 verscheen op 26 november 2009 in Nature.