Skyrmionen in een ‘spoor’ (afb: Bruno Bourgeois en Olivier Bouille)
Spintronica en skyrmionen houden een belofte in van snellere computers die veel minder energie vergen (een factor 1000 minder, verwachten onderzoekers), niet in de laatste plaats doordat die magnetische nanobolletjes (skyrmionen) zowel kunnen dienen als geheugenelement dat ook zijn te gebruiken voor de verwerking van gegevens.
Op verschillende fronten wordt er naar die beloftevolle einder toegewerkt, waarbij een wat ‘onplezierige’ eigenschap van skyrmionen is weggewerkt door onderzoekers in Frankrijk, terwijl diezelfde groep ook de detectie en manipulatie van de skyrmionen op punt hebben gesteld. In Noorwegen denkt Therese Frostad bij de Noorse universiteit voor wetenschap en technologie (NTNU) daar ook nog eens Bose-Einstein-condensaten en kwantumcomputers bij haalt.
Bij spintronica gaat het om elektronspins als geheugen- en verwerkingseenheid in plaats van elektronen (in het rekenwerk). Skyrmionen hebben afmetingen in het nanobereik (=10-9) die bestaan uit parallelle, want magnetische, elektronspins. De naamgever is de Britse natuurkundige Tony Skyrme die die magnetische ‘deeltjes’ in 1962 voor mogelijk hield. Pas in 2009 werden die voor het eerst waargenomen.
Magnetisme en geheugen horen bij elkaar, maar skyrmionen kunnen ook gegevens verwerken. Die ‘platte belletjes’ hebben echter last van het Hall-effect, waardoor de skyrmionen zich niet naar believen laten manipuleren. Dat zou een beetje lijken op het Magnuseffect waardoor een voetbal een kromme baan kan afleggen als je die goed raakt. Dat is niet handig als je zo’n skyrmion iets wil laten doen.
Die onderzoekers van, onder meer, de universiteit van Grenoble en Spintec onder aanvoering van Olivier Boulle hebben voor die ‘vervelende’ afwijking een oplossing bedacht. Daardoor kunnen ze in een elektrisch veld (of magneetveld?) een snelheid bereiken van 900 m/s (was ‘maar’ 100 m/s).
Het idee was twee structuren met tegengestelde eigenschappen, twee ferromagneten, te koppelen, gescheiden door een dunne niet-magnetische laag. Dat worden synthetische antiferromagneten genoemd en die zijn dus niet echt gemagnetiseerd. Het probleem was nog die een paar atomen dikke tussenlaag te vinden. Medeonderzoeker Van-Truong Pham vond de oplossing: twee platina/kobaltlagen gescheiden door een dunne laag ruthenium.
Wat moet je met nanobolletjes die met een snelheid van 3000 km/u rondvliegen? Boulles reactie is eenvoudig en droog: “We wilden aantonen dat je een skyrmionencomputer kunt maken.” Je kunt de skyrmionen manipuleren en gebruiken als geheugenelement.
De onderzoekers gaan nu aan de slag met stem- en beeldherkenning door een skyrmionsysteem. Uiteindelijk is het de bedoeling om het elektronicatijdperk te laten overvloeien in het spintronische om de wet van Moore geen geweld aan te doen..
Bose-Einsteincondensaten
Frostad zoekt het op nog exotischer terrein: de al genoemde Bose-EInsteincondensaten. Natuurkundigen schijnen van die condensaten te houden omdat je daarmee zaken als magnetisme, zwaartekracht en licht goed kunt bestuderen. Zo schijnt zo’n condensaat met temperaturen in de nabijheid van het absolute nulpunt de lichtsnelheid kan worden afgeremd tot 60 km/u.
Frostad heeft het over spingolven oftewel magonen. “Als magnonen zich in de laagste energietoestand bevinden kunnen ze een Bose-Einsteincondensaat vormen. We zijn onlangs begonnen of we zo’n magnoncondensaat kunnen gebruiken om een nieuwe technologie te ontwikkelen.” Dan valt ook het toverwoord kwantumcomputer.
“Dan moeten we eerst de eigenschappen van het condensaat leren beheersen.(…) We hebben onderzocht hoe we de eigenschappen van het condensaat kunnen controleren met behulp van externe magneetvelden en hoe we de eigenschappen kunnen veranderen van de materialen en systemen waarin we het condensaat hebben gemaakt.” Het grote voordeel van magnoncondesaten is dat die bij kamertemperatuur kunnen bestaan. Wordt ongetwijfeld vervolgd.
Bronnen: Alpha Galileo, Futura-Sciences, le Monde