Natuurkundigen van de Universiteit Twente kunnen een draai geven aan het niets: ze hebben een methode ontwikkeld om de spin van ontbrekende elektronen te beinvloeden. Dat opent de weg naar spintronica – en zuiniger computerchips.
Tamalika Banerjee, Ehtsham Ul-Haq, Martin Siekman, Cock Lodder en Ron Jansen hebben getest of de afwezige elektronen in halfgeleiders rond hun as tollen. Dat klinkt krankzinnig, maar natuurkundig gezien is er geen speld tussen te krijgen. Het vijftal toonde aan dat de elektronen rond een ‘elektron-gat’ in een halfgeleider zich zó gedragen, dat het gat een eigen magnetisch veld heeft – net als een rondtollend geladen deeltje.
Gatengeleiding in halfgeleiders: als ergens in het atoomrooster van een halfgeleider een elektron ontbreekt, zit er een ‘gat’ in de elektronenzee van het materiaal. Net als in een schuifpuzzel kan dat gat nooit verdwijnen maar wel rondreizen. Die beweging van positieve lading in een negatief geladen omgeving is een echte elektrische stroom.
Met de juiste combinatie van magnetisch materiaal en magneetvelden wisten de Twentse onderzoekers een filter te bouwen dat alleen gaten doorlaat die in één bepaalde richting draaien. Daarmee kunnen ze in principe twee soorten elektrische stroom maken die door dezelfde draad stroomt: een verdubbeling van de capaciteit. Het experiment is nog niet praktisch toepasbaar, maar ooit hopen natuurkundigen met soortgelijke truuks spintronica te gaan bedrijven. Met die techniek kunnen ze elektrische stroompjes beter sturen en computerchips zuiniger maken.
Tem de tol
Jansen en zijn team wisten in hun lab geleidende gaten te filteren met ferromagnetisch materiaal. Door laagjes van dat materiaal met de juiste magneetvelden aan te sturen maakten ze een polarisatiefilter voor de rondtollende gaten. die in de juiste richting tollen komen door het materiaal heen, andere worden tegengehouden. Als het team twee magnetische lagen in tegengestelde richting magnetiseerde konden ze zelfs álle stroom tegenhouden. De methode is nog wat ruw, maar het Twentse onderzoek laat wel zien dat met de juiste apparatuur uit beide soorten halfgeleiders spintronische apparatuur kunt maken.
Stroom van positieve ladingsdragers (gaten) in twee dunne ferromagnetische lagen en p-type silicium. Op de foto’s a, b en c bevindt het materiaal zich in magneetvelden met verschillende sterktes. Bij verandering van de veldsterkte worden lokale veranderingen in de stroom van gaten door het materiaal zichtbaar, waarbij gebieden met hoge (geel) en lage (zwart) stroom ontstaan. In a) liggen de velden van de twee ferromagnetische lagen parallel en is de gatenstroom overal groot. In b) en c) zijn er gebieden ontstaan waar lokaal de ferromagnetische lagen tegengesteld gericht zijn, wat een lage stroom tot gevolg heeft. Met name in b) zijn er ook nog gebieden met een lokale parallelle oriëntatie met hoge stroom. Het afgebeelde gebiedje meet twee bij twee micrometer (één micrometer is een duizendste millimeter).bron: Stichting FOM Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Gatengeleiding
In halfgeleiders wordt elektriciteit verplaatst door elektronen die tijdelijk zijn losgemaakt van de atoomkernen in het materiaal. Waar zo’n elektron is losgeweekt uit de elektronenzee van het materiaal zit een ‘gat’. Er ontbreekt daar negatieve lading, dus mag je volgens natuurkundigen zeggen dat er netto positieve lading is. Elektronen rond het gat proberen het gat op te vullen, maar moeten daarvoor hun eigen plekje afstaan. Zo reist het gat door het materiaal. Halfgeleiders waarin overtollige elektronen de elektrische stroom dragen heten n-halfgeleiders (n: negatieve lading). Een gaten-geleider heet een p-halfgeleider (p: positieve lading).
Met behulp van één type halfgeleider kunnen al componenten als diodes, transistors en chips worden gemaakt. In zogenaamde CMOS technologie ( complimentary metal oxide semiconductor) worden ze gecombineerd. CMOS-componenten hebben veel minder stroom nodig dan gewone componenten. Daarom worden ze veel gebruikt in apparaten die op batterijen werken, zoals laptops en mobieltjes. Ze zitten ook in gewone computers, in het belangrijkste rekencentrum (de processor), om de productie van warmte te beperken.
Meer weten:
- Origineel persbericht
- Silicium spintronica (Kennislink artikel)
- De nieuwe computer (Kennislink artikel)
- Spintronica: werken met tollende elektronen (Kennislink artikel)
- Veelbelovende ontwikkeling in spintronica (Kennislink artikel)
- Spintronics (Engels)
- Wikipedia spintronica (Engels)