Groningse onderzoekers geven richting aan spintransport

RUG-natuurkundigen onder leiding van Bart van Wees zijn er in geslaagd het transport van elektronenspin te sturen met een elektrisch veld. Het is de eerste keer dat dit bij kamertemperatuur is gelukt. Hiermee zijn nieuwe toepassingen van ‘spintronica’ weer een stapje dichterbij. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Gewone elektronica is gebaseerd op het transport van ladingen. Maar bij spintronica gaat het om de ‘spin’, een kwantummechanische eigenschap van elektronen. De spin kan twee waarden hebben (op en neer) en is dus te gebruiken om informatie te verwerken. Daarvoor is het nodig spins te kunnen transporteren. Dat is niet eenvoudig: elektronenspin vervalt na verloop van tijd, en het transport verloopt via diffusie, wat niet zo efficiënt is.

Onlangs wist het Groningse lab al het eigen record voor spintransport te verbeteren, en te zetten op 24 micrometer. Deze lengte kon de elektronenspin dus afleggen via ongerichte diffusie. Bij die gelegenheid vertelde promovendus Pep Ingla-Aynés al dat de volgende stap zou zijn het gericht transporteren van spin met behulp van een elektrisch veld.

Gelukt

Dit is nu gelukt. De onderzoekers gebruikten net als bij de recordpoging grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof, dat ‘gesandwiched’ zit tussen laagjes – eveneens tweedimensionaal – boornitride. Zonder elektrisch veld kon de spin in deze opstelling 7,7 micrometer ver komen. Maar met een elektrisch veld was de maximale afstand maar liefst 90 micrometer.

In Y-vormige kanaaltjes van grafeen bleek het mogelijk de spin de linker- of rechter tak in te laten gaan, met een efficiëntie van 88 procent. Sturing van de spinstromen maak het mogelijk om logische schakelingen te maken, de bouwsteen van bijvoorbeeld computers. Ook al omdat de Groningse experimenten plaatsvonden bij kamertemperatuur is hiermee een belangrijke stap gezet naar nieuwe toepassingen van spintronica.

Bart van Wees is een pionier op het terrein van spintronica. Hij geeft onder meer leiding aan het ‘work package’ spintronica binnen het Europese Flagship Project over grafeen. Op 13 september ontvangt van Wees de Spinozapremie, de hoogste wetenschappelijke prijs in Nederland voor zijn baanbrekende onderzoek naar het gedrag van elektronen, waaronder ook spintransport.

Referentie: Josep Ingla-Aynés , Rick J. Meijerink , and Bart J. van Wees : Eighty-Eight Percent Directional Guiding of Spin Currents with 90 μm Relaxation Length in Bilayer Graphene Using Carrier Drift. Nano Letters, online 11 juli 2016. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01004