Promovendus scoort dubbel met spin

RUG promovendus Siddharta Omar had een goede week: twee artikelen van hem zijn geaccepteerd voor publicatie door het tijdschrift Physical Review: Rapid Communications. En over allebei de artikelen is hij enthousiast. Ze bevatten nieuwe technieken en produceren nieuwe kennis over een fenomeen dat ‘spin relaxatie’ heet.

Omar kwam in 2011 uit India naar Groningen als student van de Topmaster Nanoscience. Hij deed een onderzoeksproject in het lab van Bart van Wees (hoogleraar Natuurkunde van Nanodevices), die afgelopen jaar de Spinozapremie ontving, de belangrijkste wetenschapsprijs in Nederland. En in 2013 begon Omar met een promotieonderzoek bij Van Wees.

Het onderzoek van Van Wees is er op gericht om het concept ‘spintronica’ tot een realiteit te maken. Waar gewone elektronica werkt via de lading van elektronenstromen gebruikt spintronica een andere eigenschap van elektronen: een magnetische kwaliteit die spin heet en die de waarde ‘op’ of ‘neer’ kan hebben. Het is een kwantummechanisch effect, maar een versimpelde beschrijving is dat de eletronenspin een magnetische richting heeft, die op of neer kan zijn. En deze eigenschap is te gebruiken om informatie op te slaan, te transporteren of te verwerken.

Relaxatie

‘Als idee bestaat spintronica al een tijdje, maar het bleek dat de halfgeleiders die de bouwstenen vormen van gewone micro-elektronica er niet geschikt voor zijn’, legt Omar uit. Maar toen bleek dat grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof, niet alleen een prima geleider is van elektronenstromen, maar ook van spinstromen.

Er is echter een probleem: als één soort spin in grafeen wordt geïnjecteerd ontstaat al snel ‘relaxatie’, een toestand waarbij beide spinsoorten aanwezig zijn. ‘Theoretisch natuurkundigen voorspelden dat de relaxatietijd van spins in grafeen zeer lang zou zijn. Maar experimenten laten zien dat dit veel sneller gaat dan gedacht.’ Dit is een probleem, want je kunt alleen informatie via spins versturen als die spinrichting stabiel is. ‘Het overkoepelende thema van mijn promotieproject is om uit te zoeken hoe spinrelaxatie in grafeen verloopt en wat die relaxatietijd kan beïnvloeden.’

Het eerste van de twee artikelen van Omar, dat werk bevat uit zijn tijd als masterstudent, beschrijft een nieuwe manier om spinrelaxatie in grafeen te meten. ‘De normale manier is om de gemiddelde spinstroom te meten. Maar wat wij deden is de ruis van het signaal isoleren, dus de variatie in het spintransport’, legt Omar uit. Die variatie ontstaat door processen in het grafeen en bevat dus informatie over wat er in dat materiaal gebeurt. Omar concludeert dat onzuiverheden in het grafeen bijdragen aan de spinrelaxatie. ‘Theoretici hadden dit al beschreven, maar wij zijn de eersten die het experimenteel aantonen.’ Een bonus is dat de ruis ook bruikbaar is om spinstromen te meten. ‘Dus het is een extra methode om spintransport te volgen.’

Stapelen

In het tweede artikel beschrijft Omar een schakeling die laat zien hoe een halfgeleider (wolfraam disulfide, WS₂) de spinstroom in grafeen kan beïnvloeden. ‘Door verschillende materialen op een laagje grafeen te stapelen is het mogelijk de eigenschappen ervan te beïnvloeden. Vorig jaar liet dit lab al zien dat grafeen magnetisch wordt als je het op magnetisch materiaal legt.’

Met een dunne laagt WS₂ slaagde Omar erin om spins te ‘absorberen’ uit een grafeen-kanaaltje en – afhankelijk van de stroom in de halfgeleider – spins te injecteren in het kanaal. ‘Dit betekent dat we een soort schakelaar hebben die de spinstroom kan stoppen of in gang zetten’, zegt Omar. En het is niet een aan/uit schakelaar, maar meer een dimschakelaar. ‘Door de spinstroom te veranderen gaat de schakeling zich gedragen als een transistor, waarin de elektronenstroom wordt geschakeld door een gatestroom.’ Hoe het wolfraam disulfide precies de spins uit het kanaal ‘absorbeert’ is nog niet duidelijk. ‘Er is meer onderzoek nodig om dat te begrijpen.’

Samen beschrijven de twee artikelen verschillende vernieuwingen in spintronica onderzoek: ‘We laten zien dat onzuiverheden een belangrijke rol spelen bij spinrelaxatie in grafeen, we hebben een soort spintransistor gebouwd met behulp van wolfraam disulfide en we laten zien dat de spinstroom is te controleren’, vat Omar het samen. ‘Dit is allemaal belangrijk bij het bouwen van een logische schakeling die met spins werkt.’

Omar zit in het laatste jaar van zijn promotietraject en heeft nog meer artikelen in de pijplijn zitten. ‘Het volgende artikel is nog interessanter’, vertelt hij met een brede glimlach. Wordt vervolgd dus…

Referenties:

1. S. Omar, M.H.D. Guimarães, A. Kaverzin, B.J. van Wees, and I.J. Vera-Marun, "Spin relaxation 1/f noise in graphene", arXiv: 1701.07724

2. S. Omar and B.J. van Wees, "Graphene-WS₂ heterostructures for tunable spin injection and spin transport", arXiv:1610.07196