Voorstelling van elektronspin, maar dat hoeft niet per se de ‘spin’ te verklaren (afb: WikiMedia Commons)
Defecten in spintronische materialen, ooit gezien als beperkingen, kunnen nu de sleutel zijn tot vooruitgang. Chinese onderzoekers ontdekten dat imperfecties in die materialen de efficiëntie vergroten van apparaten met een laag vermogen die traditionele benaderingen overtreffen. Hiermee zou de weg zijn vrijgemaakt voor een nieuwe generatie ultralaagvermogen spintronische apparaten. Ik(=as) moet zeggen dat voor mij eigenlijk alleen die imperfecties begrijpelijk zijn. De rest is vooral abracadabra voor mij, maar wie het begrijpt mag het me uitleggen.
Spintronica, een afko voor spinelektronica, is een technologiegebied dat de grenzen van conventionele elektronica zou moeten overstijgen. Traditionele elektronische apparaten vertrouwen alleen op de elektrische lading van elektronen om informatie op te slaan en te verwerken. Spintronica maakt gebruik van twee extra kwantumeigenschappen: het spinimpulsmoment, dat kan worden voorgesteld als een ingebouwde ‘omhoog’- of ‘omlaag’oriëntatie van het elektron, en het baanimpulsmoment, dat beschrijft hoe elektronen zich rond atoomkernen bewegen (de elektronenbaan). Door gebruik te maken van deze extra vrijheidsgraden kunnen spintronische apparaten meer gegevens opslaan in kleinere ruimtes, sneller werken, minder energie verbruiken en informatie behouden, zelfs wanneer de stroom is uitgeschakeld.
Een langdurige probleem in de spintronica vormden echter de materiaaldefecten. Het introduceren van imperfecties in een materiaal kan het soms gemakkelijker maken om data in geheugenbits te ‘schrijven’ door de benodigde stroom te verminderen, maar dit heeft meestal een prijs: de elektrische weerstand neemt toe, de spin-Hall-geleiding neemt af en het totale stroomverbruik neemt toe. Dat vormt een groot obstakel voor de ontwikkeling van spintronische apparaten met een ultralaag vermogen.
Onderzoekers van het Ningboinstituut (een http-koppeling) voor materiaaltechnologie (NIMTE) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft nu een manier gevonden om dit probleem in een voordeel om te zetten. Hun onderzoek richtte zich op het baan-Hall-effect in strontiumruthenaat (SrRuO3), een oxide van strontium en rubidium waarvan de eigenschappen nauwkeurig kunnen worden afgesteld. Dit kwantumfenomeen zorgt ervoor dat elektronen bewegen op een manier die wordt bepaald door hun baanimpulsmoment.
Met behulp van speciaal ontworpen apparaten en nauwkeurige meettechnieken ontdekten de onderzoekers een onconventionele schaalwet die twee vliegen in één klap slaat: defecten verhogen tegelijkertijd zowel de baan-Hall-geleiding als de baan-Hall-hoek, anders dan bij conventionele spingebaseerde systemen.
Om deze bevinding te verklaren, koppelden de onderzoekers deze aan het Dyakonov-Perel-achtige baan-relaxatiemechanisme. “Verstrooiingsprocessen die doorgaans de prestaties verslechteren, verlengen juist de levensduur van het baanimpulsmoment, waardoor de baanstroom toeneemt”, aldus hoofdauteur Xuan Zheng.
Herschrijft spelregels
“Dit werk herschrijft in wezen de spelregels voor het ontwerpen van deze apparaten”, stelt Zhiming Wang. “In plaats van materiaalimperfecties te bestrijden, kunnen we ze nu uitbuiten.”
Experimentele metingen bevestigen het potentieel van de technologie: op maat gemaakte geleidbaarheidsmodulatie leverde een drievoudige verbetering op in het energierendement van schakelingen.
Deze studie zou niet alleen nieuwe inzichten bieden in de baantransportfysica, maar herdefinieert ook ontwerpstrategieën voor energiezuinige spintronica.
Bron: Science Daily