Hoe maak je een spintransistor?

De capaciteit van computerchips nam alsmaar toe, vooral omdat transitoren alsmaar kleiner werden. Daardoor passen er meer op een microprocessor. Maar die verkleining loopt tegen een grens aan. Een mogelijke oplossing om toch snellere chips te maken is het bouwen van transistoren die werken met de spin, en niet de lading van elektronen. Sander Kamerbeek verdedigde zijn proefschrift over die spintransistoren op 9 september.

Drie onderdelen zijn van belang voor de snelheid van een computer: de processor (cpu), het tijdelijke RAM geheugen en de permanente opslag op de harde schijf. ‘En natuurlijk de verbindingen tussen die onderdelen’, zegt Sander Kamerbeek. De natuurkundige legt uit hoe transistoren, die al het werk doen op de processor, in elkaar zitten. ‘Er loopt een stroom door een kanaaltje en een schakelaar kan dat kanaal openen of sluiten. Die schakelaar noemen we de gate.’ Door een elektrische spanning te zetten op de gate is de transistor te schakelen tussen hoge en lage weerstand, of in computertermen 1 en 0.

In 1965 bedacht Gorden Moor de ‘Wet van Moore’, waarin hij beschreef hoe iedere twee jaar het aantal transistoren per oppervlakte-eenheid in een geïntegreerd circuit verdubbelt. Maar rond 2011 begon die wet te haperen. Transistoren waren zo klein geworden dat fysische beperkingen begonnen op te spelen. Dus moesten natuurkundigen op zoek naar andere wegen om de capaciteit van de cpu’s te vergroten.

Een mogelijk verbetering was om de manier waarop de transistoren werken radicaal te veranderen. ‘Nu is dat gebaseerd op een elektronenstroom’, zegt Kamerbeek. Maar stroom betekent warmte, en hoe kleiner de transistoren, hoe problematischer de warmteproductie is.

Injecteren

Om dat te ondervangen zou je een transistor kunnen ontwerpen die werkt op de spin van elektronen: die zijn sneller te schakelen, gebruiken minder energie en produceren dus minder warmte. Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen. ‘Simpel gezegd heeft spin twee waarden, op of neer’, legt Kamerbeek uit. ‘Om een spintransistor te bouwen heb je een aantal ingrediënten nodig. Allereerst een ferromagnetisch materiaal dat een hogere weerstand heeft voor een van beide spintoestanden. Ten tweede, er is een kanaal nodig waardoor de spin is te transporteren. En nummer drie, in het kanaal moet je de spin kunnen schakelen van op naar neer of omgekeerd.’

Wanneer je die ingrediënten hebt kun je een stroom van spins injecteren in het kanaal met behulp van een ferromagneet. De spins stromen door het kanaal en aan het andere eind kun je ze eruit vissen met weer een ferromagneet. Zo is de weerstand voor de spins in het kanaal te meten, en die weerstand hangt af van de richting van de spins. Wanneer je met behulp van de gate de spin in het kanaal verandert, verander je ook de weerstand.

Onzuiverheid

Kamerbeek: ‘Het probleem is om een materiaal te vinden waarin de spin stabiel is, maar ook is te schakelen met een spanning op de gate.’ Terwijl de lading van een elektron altijd constant is, kan de spin spontaan van op naar neer of omgekeerd draaien. ‘Dat gebeurt bijvoorbeeld wanneer een elektron toevallig tegen een onzuiverheid in het materiaal botst’, zegt Kamerbeek. In grafeen, de tweedimensionale versie van koolstof, is de spin zeer stabiel, maar je kunt deze nauwelijks omdraaien met een gate. ‘Dus zochten we naar een halfgeleider met de juiste combinatie van stabiliteit en schakelbaarheid.’

Uiteindelijk bleek strontium titanium oxide een interessante kandidaat. Kamerbeek bestudeerde dit materiaal door er verschillende schakelingen van te bouwen. Theoretische modellen lieten zien dat spin in dit materiaal stabiel en schakelbaar zou zijn. Kamerbeek zag dat in dit materiaal de spin was te beïnvloeden met een elektrische spanning. Dat suggereert een manier om een gate te bouwen waarmee de spinrichting is om te draaien.

Alleen bleven spins niet lang leven in een kanaal van dit oxide. De spinstroom kon zo’n 10 nanometer door het materiaal worden getransporteerd alvorens te verdwijnen. ‘Dat is op zich een goed resultaat, vooral omdat we de spins konden manipuleren bij kamertemperatuur. Anderen hebben laten zien dat ze de spinrichting kunnen schakelen, maar dan bij extreem lage temperatuur. Dat kun je niet hebben voor een echte toepassing. Maar om ons materiaal wel te kunnen gebruiken moet het spintransport minstens een paar honderd nanometer ver komen, dus twee orden van grootte verder dan wat wij tot nu toe hebben gerealiseerd.’

Heeft zijn promotieonderzoek de spintransistor nu dichterbij gebracht? Dat is een lastige vraag, reageert Kamerbeek. ‘Een spintransistor zou kunnen zorgen voor een technologische en digitale revolutie. Maar we weten gewoon nog niet of je zo’n transistor kunt bouwen. Mijn werk was vooral fundamenteel, gericht op het begrijpen of dit specifieke materiaal interessante eigenschappen heeft die bruikbaar zijn voor op spins gebaseerde elektronica. En ik wilde weten of dit extra functionaliteit zou kunnen opleveren voor conventionele halfgeleiders. Gebaseerd op mijn resultaten zou ik zeggen dat dit materiaal inderdaad veelbelovend is.’

Kamerbeek werkt momenteel als postdoc in de groep van zijn promotor, Tamalika Banerjee.

De promotor

Waarom was dit promotieonderzoek van Sander Kamerbeek interessant? Zijn promotor, Tamalika Banerjee, legt het uit. ‘Klein en koel, snel en goedkoop, dat zijn de tegengestelde eisen die de industrie stelt aan micro-elektronica.’ Maar die eisen die elkaar lijken uit te sluiten hebben de groei van alternatieven gestimuleerd, zoals spintronica. Deze elektronica gebaseerd op spin probeert de tegenstellingen te verenigen via een ambitieuze integratie van nieuwe materialen, technieken en werkingsprincipes.

Banerjee schreef verschillende onderzoeksvoorstellen om nieuwe materialen en fenomenen te onderzoeken die moeten leiden tot het bouwen van een op spin gebaseerd geheugen met behulp van oxiden. Dit onderzoek heeft Sander Kamerbeek beschreven in zijn proefschrift. ‘Sander heeft resultaat laten zien dat hij bij kamertemperatuur bereikte in schakelingen met een eenvoudige architectuur. Hij liet zien dat spins die hij injecteerde in de schakeling kon manipuleren met behulp van een elektrisch veld. Dat is een nieuwe aanpak in de spintronica die van vitaal belang is voor logische schakelingen op basis van spin. In een ander, heel slim opgezette serie experimenten heeft hij aangetoond dat het bekende elektroweerstand effect aanwezig is in dit soort materialen en is te koppelen aan op spin gebaseerd geheugen.’

Al deze resultaten geven uitzicht op spintronica, gemaakt op basis van oxiden. ‘Het is zeer veelbelovend’, zegt Banerjee. ‘Er is zicht op elektronica voorbij de wet van Moore. Het duurt misschien niet lang meer voordat aan al die tegengestelde eisen van de industrie kan worden voldaan.’