17 feb. 1999
2 minuten
Onderzoekers van de Stichting FOM en het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba (Japan) publiceren 7 juli in Nature over het Seebeck spin tunnel effect. Dit is een nieuw fenomeen waarbij warmte wordt omgezet in een ‘spinspanning’.
Door een temperatuurverschil aan te leggen hebben de onderzoekers magnetische informatie (spin) overgedragen van een magnetisch materiaal naar silicium, zonder elektrische stroom. Het nieuwe concept maakt ontwikkeling van energiezuinige informatietechnologie mogelijk door functioneel gebruik en hergebruik van warmte. Het artikel is al beschikbaar als advance online publication.
Magnetische informatie
Elektronische schakelingen en geheugens maken gebruik van lading en het transport daarvan. Een proces dat relatief veel energie kost en warmte produceert. Dit leidt nu al tot problemen in computerchips. Spintronica, echter, kijkt naar een andere eigenschap die het elektron heeft, de ‘spin’, de basis van magnetisme. Net als de noord- en zuidpool van een magneet wijst de spin in een bepaalde richting. Hiermee kan digitale informatie worden opgeslagen, door bijvoorbeeld een ‘1’ te representeren als spin die omhoog wijst en een ‘0’ als een spin die omlaag wijst. Het bewerken van de magnetische informatie kost minder energie dan het transporteren van lading. Het ultieme doel is dit principe te implementeren in silicium, de bouwsteen van bijna alle elektronische componenten.
Thermische spinstroom
De onderzoekers hebben pure spinstroom gemaakt in een contact tussen silicium en een ferromagneet. Ze gebruiken hierbij alleen een temperatuurverschil, geen elektrische spanning of stroom. Door het temperatuurverschil bewegen elektronen met de ene spin-oriëntatie van ferromagneet naar het silicium, terwijl precies evenveel elektronen met de andere spin-oriëntatie de tegenovergestelde weg bewandelen. De hoeveelheid lading blijft dan overal gelijk – er is geen stroom – maar er ontstaat wel een ophoping van spin in het silicium. De oriëntatie van de spins hangt af van het ferromagnetisch materiaal en draait om wanneer de warme en koude kant van het contact worden omgewisseld. Het effect is dus controleerbaar.
Seebeck spin-tunnelen
Het Seebeck spin-tunneleffect wordt volledig bepaald door het grensvlak tussen ferromagneet en silicium. Het contact bestaat uit een ultradun – minder dan een nanometer – laagje oxide tussen de ferromagneet en de halfgeleider. Dit laagje werkt als een elektrische barrière, waar elektronen slechts doorheen kunnen bewegen door middel van ‘tunnelen’. Dit quantummechanische proces is sterk afhankelijk van de spin en de thermische energie van de elektronen. Zo kan de spinstroom opgewekt worden met een temperatuurverschil. Hoe meer het spintransport afhangt van de thermische energie, hoe meer spinstroom. Dit is de sleutel tot verdere optimalisatie.
Het artikel ‘Thermal spin current from a ferromagnet to silicon by Seebeck spin tunnelling’ van Jean-Christophe Le Breton, Sandeep Sharma, Hidekazu Saito, Shinji Yuasa en Ron Jansen verschijnt op 7 juli 2011 in Nature en is al beschikbaar als advance online publication via DOI: 10.1038/nature10224.
Bron: FOM
Anderen lazen ook
