Stichting FOM heeft samen met onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba (Japan) een belangrijke stap gezet in de spintronica. Dat is een technologie waarmee informatie in een elektronisch apparaat op een andere manier wordt opgeslagen. Een manier die veel sneller en energiezuiniger is. De techniek van FOM en het AIST gaat daarin nog iets verder, want zij maakten een spintronisch systeem dat werkt op warmte. Dat is extra zuinig (er is geen stroom nodig) en het maakt handig gebruik van de warmte die al aanwezig is in elektronische apparaten.

Dit is een wafer, de plaat waarop computerchips gemaakt worden. De kleine rechthoekjes zijn de chips en elke chip bevat 410 tot 820 miljoen transistors. Spintronics kan die transistors sneller en zuiniger te maken, wat dus in totaal veel winst oplevert.

Intel

Digitale informatie

Om de vinding goed te begrijpen, gaan we terug naar de kern van vrijwel alle elektronische apparaten: de transistor. De aan- en uitstand van transistors wordt nu bepaald door het al dan niet doorlaten van stroom.

Een source (bron) en drain (afvoer) zijn ingebouwd in een laagje silicium en erbovenop ligt een gate (poort). Die beïnvloedt het geleidingskanaal tussen de source en de drain. Door spanning op de gate te zetten, wordt bepaald of er wel of geen elektronen van de source naar de drain kunnen stromen. Zo ja, dan staat de transistor in de 1-stand en zo nee, dan is het een 0.

Er bestaan veel verschillende type transistors, maar de globale werking (met source, drain en gate_) is ongeveer gelijk. Hier zie je de transistor die Intel01 gebruikt voor haar 45nm-processoren.

Intel

Dit systeem werkt prima, maar het kan beter. Het omzetten van de schakelaar werkt bijvoorbeeld relatief traag en er komt veel warmte bij vrij. Wetenschappers werken daarom aan nieuwe technieken, zoals spintronica. Daarbij gaat het niet om de lading van de stromende elektronen, maar om een bepaalde eigenschap die ze bezitten, de zogenaamde ‘spin’. Dat is – heel grof gezegd – de ‘draairichting’ van het elektron: elektronen tollen namelijk voortdurend rond om hun eigen as. De spin geeft de richting aan van het magneetveld dat door het draaien ontstaat, net als de noord- en zuidpool bij gewone magneten.

Die elektronenspin is zo interessant omdat je er digitale informatie mee op kunt slaan. Spin die omhoog wijst, staat bijvoorbeeld voor een 1 en spin die omlaag wijst voor een 0. Je kunt dus een ‘spintronische transistor’ maken door de spin van de elektronen op de juiste stand te zetten. En aangezien dat veel minder energie kost dan het transporteren van lading, is zo’n transistor aanzienlijk sneller. Bijkomend voordeel is dat de spin intact blijft als er geen stroom meer op de transistor staat. Dat betekent dat alle schakelaars hun stand ‘onthouden’, waardoor je computer bijvoorbeeld heel snel opstart.

Liever op silicium

Helaas is het niet eenvoudig een transistor op basis van spin te maken. Dat ligt niet zozeer aan problemen met het richten van de spin: in ferromagnetisch materiaal kun je de spin van elektronen bijvoorbeeld prima beïnvloeden met een magnetisch veld.

Een transistor is echter niet gemaakt van ferromagnetisch materiaal, maar van een halfgeleider zoals silicium; en als het even kan moet dat ook zo blijven, want het zou erg kostbaar zijn alle chipfabrieken aan te passen. Het is dus zaak ervoor te zorgen dat de spin van elektronen in silicium bepaald kan worden.

Het gebied ten zuiden van de baai van San Francisco (VS) wordt ook wel Silicon Valley genoemd. Die naam komt van het element silicium (silicon); een element wat hier veelvuldig gebruikt wordt. Er zijn namelijk veel high-tech electronicabedrijven in deze streek gevestigd.

Flickr: justinwyne

Een mogelijke tactiek is om de spin van een ferromagneet via een dunne laag over te brengen naar het silicium. Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente en Stichting FOM presteerden dat in 2009. Het was vooral bijzonder dat de techniek werkte bij kamertemperatuur, want dat was tot dan toe onmogelijk. De spin komt echter nog steeds tot stand door stroom de halfgeleider in te sturen. Mooier zou het zijn als er helemaal geen stroom nodig was.

Met warmte

Samen met het AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tsukuba, Japan) heeft Stichting FOM nu een andere oplossing gepresenteerd. Deze bouwt voort op een ontdekking uit 2008. Toen vonden wetenschappers dat spin niet alleen met een magnetisch veld te beïnvloeden is, maar ook met warmte.

Het bleek dat spins in ferromagnetisch materiaal veranderen als de uiteinden van de magneet verschillen in temperatuur. Dat is een nuttige eigenschap, want dit betekent dat er geen stroom nodig is om toch spins te bepalen.

Het team van FOM en AIST hebben het spin Seebeck effect (zoals de eigenschap heet) gebruikt in combinatie met silicium. Ze plaatsten een ultradun – minder dan een nanometer dik – laagje oxide tussen een ferromagneet en de halfgeleider. Vervolgens zorgden de onderzoekers voor een temperatuurverschil tussen de magneet en het silicium. Het laagje oxide is dan de sleutel tot succes: deze werkt als een elektrische barrière, waar elektronen slechts doorheen kunnen bewegen door middel van ‘tunnelen’. Elektronen met de ene spin-oriëntatie stromen naar beneden, terwijl evenveel elektronen met de andere spin-oriëntatie naar boven bewegen.

Het silicium is gescheiden van een ferromagneet door een dunne laag oxide. Als een temperatuurverschil tussen de twee buitenlagen wordt aangelegd, ontstaat een transport van spin naar het silicium.

Le Breton et al., 2011

De hoeveelheid lading blijft tijdens het tunnelen overal gelijk – er is geen stroom – en dat maakt het systeem stabiel en duurzaam (de kwaliteit gaat niet achteruit in de loop der tijd). En ook belangrijk: de oriëntatie van de spins draait om wanneer warm en koud worden omgewisseld. Dat maakt het effect controleerbaar, wat wel zo handig is als je het wilt gebruiken in een transistor.

Het grote voordeel aan de nieuwe techniek is dus dat er geen stroom nodig is om toch een transistor van 1 op 0 te zetten, en andersom. Hierdoor is de techniek snel en energiezuinig. Het gebruik van warmte in plaats van stroom is daarbij extra handig: het vermindert de hitte in elektronische apparaten en de warmte krijgt ook nog eens een nuttige bestemming.

Meer over spintronica op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/spintronica/index.atom?m=of", “max”=>"4", “detail”=>"minder"}

Meer over computerchips en transistors op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/chip/computerchip/transistor/index.atom?m=of", “max”=>"4", “detail”=>"minder"}