Gigantisch grote geleiding van magnon-spingolf in ultradunne isolator verrast onderzoekers

Wanneer je een geleidend draadje dunner maakt neemt de elektrische weerstand toe. Dat is de wet van Ohm, en die gaat doorgaans op. Een belangrijke uitzondering ontstaat bij zeer lage temperatuur, wanneer de mobiliteit van elektronen toeneemt als het draadje zo dun is dat het effectief tweedimensionaal is. Nu hebben RUG-natuurkundigen, samen met collega’s van de universiteit van Brest, ontdekt dat iets vergelijkbaars gebeurt met de geleiding van magonen, spingolven die zich door magnetische isolatoren bewegen als een ‘wave’ in een stadion. De toename in geleiding was spectaculair groot, en vond bovendien plaats bij kamertemperatuur. Deze observatie is op 22 september gepubliceerd in Nature Materials.

Stadion

Elektronen hebben een magnetisch moment, dat ‘spin’ heet en de waarden ‘op’ en ‘neer’ kan hebben. Het is mogelijk om één type spin te selecteren door stroom te sturen door een zwaar metaal, zoals platina. Als de elektronen met hun spins de magnetische isolator YIG (Ytrium-ijzer granaat) tegenkomen kunnen de elektronen niet verder. Maar op het grensvlak met het YIG wordt de spin wel doorgegeven, zoals een wave in een stadion: de elektronen (toeschouwers) komen niet van hun plaats maar ze geven de spinwaarde door, vertelt Bart van Wees, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de RUG en specialist in onder meer spintronica uit. Vervolgens gebeurt bij een detector elektrode het omgekeerde: de magnonen veroorzaken elektronenspins, die vervolgens in de elektrode een spanning opleveren die gemeten kan worden.

Geïnspireerd door de toename van elektronen-mobiliteit in 2D materialen besloot zijn groep om magnon transport in ultradunne YIG films te onderzoeken. ‘Dit zijn strikt genomen geen 2D materialen, maar wanneer ze dun genoeg zijn kunnen magnonen hierin alleen in twee dimensies bewegen’, legt Van Wees uit. De metingen, uitgevoerd door promovendus Xiangyang Wei, leverden een verrassend resultaat op: de spin geleiding ging omhoog met een factor duizend in vergelijking met YIG van gewone dikte.

Dramatisch effect

Wetenschappers gebruiken niet snel een term als ‘gigantisch’, maar in dit geval is dat wel op zijn plaats, aldus Van Wees: ‘We maakten het materiaal honderd keer dunner en vervolgens werd de magnon geleiding duizend keer hoger. Bovendien gebeurde dat niet bij extreem lage temperatuur, zoals bij de hoge elektronen-mobiliteit in 2D materialen, maar gewoon bij kamertemperatuur.’ Dit resultaat was onverwacht en tot nu toe ook onverklaarbaar. Van Wees: ‘In ons artikel geven we een eerste aanzet voor een theoretische verklaring, die is gebaseerd op de transitie van 3D naar 2D magnon transport. Maar dit kan het dramatische effect dat we zien niet volledig verklaren.’

Wat zouden we kunnen doen met deze gigantische magnon geleiding? ‘We begrijpen het niet’, zegt Van Wees. ‘Daarom zijn onze ideeën hierover beperkt. Dit is onderzoek dat nieuwe inzichten biedt en ons wellicht op het spoor brengt van nieuwe, nog onbekende natuurkundige principes. Op lange termijn kan het zeker toepassingen opleveren.’ Eerste auteur Xiangyang Wei voegt daar aan toe: ‘Omdat er geen elektronentransport plaatsvindt zullen de magnon-golven niet zorgen voor de gebruikelijke warmte-uitstraling. In steeds kleiner wordende elektronica is juist warmteproductie een groot probleem.’

Supergeleiding

Verder zijn magnonen zogeheten bosonen, deeltjes met hele spin-kwantumwaarden. Het is daarom misschien mogelijk om met deze magnonen een coherente toestand te creëren die overeenkomt met een Bose-Einstein condensaat. Van Wees: ‘Dit zou supergeleiding van spins kunnen opleveren.’ Maar dat ligt nog in de toekomst. Op dit moment is de gigantische magnon-geleiding in YIG goed gedocumenteerd. ‘De metingen zijn duidelijk. Nu zien we uit naar een goede samenwerking met theoretische en experimentele natuurkundigen.’

Referentie: X.-Y. Wei, O. Alves Santos, C. H. Sumba Lusero, G. E. W. Bauer, J. Ben Youssef and B. J. van Wees: Giant magnon spin conductivity in ultrathin yttrium iron garnet films. Nature Materials, 22 september 2022.