Spingolven in bits voor het eerst waargenomen (video)

Als een magnetisch materiaal in rust is, zijn de magneetveldjes van alle atomen in het materiaal keurig geordend: bijvoorbeeld alle noordpolen dezelfde kant op. Maar wordt de magneet ook maar beetje uit evenwicht gebracht, dan raken deze magneetveldjes (spins) uit het lood en ontstaan er allerlei golfbewegingen. Inzicht in deze spingolven is noodzakelijk om te doorgronden hoe magnetische materialen werken en hoe we ze zouden kunnen verbeteren. Maar dat is niet eenvoudig: spingolven spelen zich af op lengteschalen van enkele atomen, en op tijdschalen van picoseconden.

Atoom voor atoom

De lengteschaal hoeft op zich geen probleem te zijn, mits je de bit zelf maar klein genoeg maakt. Met behulp van een scanning tunneling microscope (STM), waarin een scherpe metalen naald atomen aftast, kunnen de Delftse wetenschappers ijzeratomen één voor één rangschikken in een willekeurige vorm. "Door de afstand tussen de atomen te variëren, kunnen we hun onderlinge magnetische interacties nauwkeurig afstemmen", vertelt onderzoeksleider Sander Otte. "Zo ontwerpen we een bit waarvan we als geen ander weten hoe hij in elkaar zit. Het vergt wat geduld, maar liggen de (zes) atomen eenmaal op hun plek, dan kunnen we ze soms wekenlang in alle rust bestuderen." Dit laatste is mogelijk omdat de experimenten plaatsvinden bij een temperatuur van minder dan 1 Kelvin.

Omklappen

Een lastiger probleem is de tijdschaal. "Het omklappen van de bit kunnen we op zich prima detecteren, alleen gaat het zó snel dat het er zelfs met de snelste elektronica uitziet als een instantaan proces. Om de golven toch in beeld te krijgen, moeten we gebruik maken van circumstantial evidence, indirect bewijs. Door op verschillende atomen in de bit een elektrische stroom te injecteren, kunnen we vaststellen op welke plek en bij welke energie de omklapfrequentie het sterkst toeneemt. Het resultaat is een prachtig golfpatroon", legt Otte uit.

Kwantummagneet

Dit onderzoek is niet alleen van technologisch belang. Door magnetische interacties op atomaire schaal te doorgronden, hoopt Otte in de komende jaren minuscule magneten te bouwen waar de spins, als gevolg van kwantumonzekerheid, in rust juist níet goed geordend zijn. Dit soort kwantummagneten bestaat vooralsnog hoofdzakelijk op papier.

 Nature Materials, Advance Online Publication (AOP) 6 juli 2014: ‘Imaging of spin waves in atomically designed nanomagnets’, A. Spinelli, B. Bryant, F. Delgado, J. Fernández-Rossier and A. F. Otte.
 http://ottelab.tudelft.nl/ 

Impressie van hoe een spingolf het omklappen van een atomaire bit beïnvloedt. Wordt de bit aangeslagen bij een knoop van de golf (in het midden van de atomaire keten), dan gebeurt er weinig. Alleen als de golf bij een buik wordt aangeslagen (in dit geval aan de rand van de keten), kan dit leiden tot een omkering van de gehele bit.