Spintronica: hoe een atoomdunne isolator spins helpt transporteren

Grafisch abstract. Credit: Nano-letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolet.1c04358

Een tussenlaag bestaande uit enkele atomen helpt het transport van spinstromen van het ene materiaal naar het andere te verbeteren. Tot nu toe gaat dit proces gepaard met aanzienlijke verliezen. Een team van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), het Max Planck Institute (MPI) for Microstructure Physics en de Freie Universität Berlin rapporteert in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano-letters hoe dit kan worden vermeden. De onderzoekers demonstreren daarmee belangrijke nieuwe inzichten die relevant zijn voor veel spintronische toepassingen, waaronder de energiezuinige en ultrasnelle opslagtechnologieën van de toekomst.

In moderne micro-elektronica wordt de lading van elektronen gebruikt om informatie in elektronische componenten, mobiele telefoons en opslagmedia te dragen. Het ladingstransport vereist relatief veel energie en genereert warmte. Spintronics zou een energiebesparend alternatief kunnen bieden. Het basisidee is om spin te gebruiken in informatieverwerking. Spin is het intrinsieke impulsmoment van de elektronen dat een magnetisch moment creëert. Dit genereert het magnetisme dat uiteindelijk zal worden gebruikt om informatie te verwerken.

In spintronica moeten spinstromen ook van het ene materiaal naar het andere worden overgebracht. “In veel gevallen is het spintransport over interfaces een proces met veel verlies”, legt natuurkundige professor Georg Woltersdorf van MLU uit, die het onderzoek leidde. Het team zocht naar een manier om deze verliezen te beperken door een benadering te gebruiken die in eerste instantie nogal tegenstrijdig klinkt: ze integreerden een isolerende barrière tussen de twee materialen.

“We hebben de isolator op atomair niveau zo ontworpen dat deze metaalachtig werd en de spinstromen kon geleiden. Hierdoor konden we het spintransport aanzienlijk verbeteren en de grensvlakeigenschappen optimaliseren”, vat Woltersdorf het proces samen. De materiaalmonsters werden geproduceerd in het Max Planck Institute for Microstructure Physics. Het onverwachte effect werd ontdekt door metingen van spintransport uitgevoerd bij MLU en de Freie Universität Berlin. Het team levert ook de theoretische basis voor de nieuwe ontdekking. Volgens Woltersdorf kan dit worden beschreven met relatief eenvoudige modellen zonder spin-baankoppeling.

De resultaten zijn zeer relevant voor veel spintronische toepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om spintronische terahertz-stralers te verbeteren. Terahertzstraling wordt niet alleen toegepast in onderzoek, maar ook in hoogfrequente elektronica, medicijnen, materiaaltesten en communicatietechnologie.