Nieuwe theorie verandert mogelijk het ontwerp van toekomstige spintronische circuits

Het stromen van elektrische ladingen vormt de basis van elektronische circuits. Elektronen hebben echter ook een spin, en stromen van elektronenspin spelen een cruciale rol in spintronische circuits. Deze zouden essentieel kunnen zijn voor onze toekomstige computertechnologie. Het probleem met gebruikelijke magnetische spintronische materialen is dat zij worden beïnvloed door elektromagnetische velden, waardoor de spinstroom kan worden verstoord. Daarom zijn niet-magnetische materialen die bestand zijn tegen dit soort velden een aantrekkelijk alternatief. Rembert Duine van de Technische Universiteit Eindhoven en Universiteit van Utrecht heeft samen met zijn Utrechtse collega Andreas Rückriegel een nieuwe theorie ontwikkeld om onderzoek te doen naar spintransport in niet-magnetisch materiaal. Deze theorie kan bijdragen aan het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe materialen voor toekomstige spintronische applicaties.

Afbeelding: Universiteit Utrecht

Spintronica bevindt zich sinds de jaren 1990 in de voorhoede bij de ontwikkeling van technologieën variërend van harddrives tot smartphones. Elektronische circuits maken gebruik van de lading van elektronen voor informatieverwerking, waarbij lading voor een 1 staat en de afwezigheid van lading voor een 0. Spintronische circuits gebruiken de spin van elektronen voor informatieoverdracht, en de spinrichting kan ofwel omhoog, ofwel omlaag zijn. In spintronica representeren deze twee spintoestanden enen en nullen. Deze spins wekken kleine magneetvelden op, en wanneer deze spins worden blootgesteld aan een magnetisch veld kunnen ze allemaal in dezelfde richting gedwongen worden. Het op één lijn krijgen van deze spins in het materiaal wordt bewerkstelligd door spingolven, ook wel bekend als magnonen.

Spintronische circuits zijn gewoonlijk gebaseerd op magnetische isolatoren die geen elektrische lading geleiden maar wel spins kunnen transporteren. Elektromagnetische velden kunnen de oriëntatie van spins echter verstoren en tot instabiliteit leiden. Niet-magnetische materialen daarentegen worden niet beïnvloed door elektromagnetische velden, waardoor ze de spininformatie betrouwbaar kunnen overbrengen. In plaats van met magnonen kan spin-informatie in niet-magnetische materialen worden overgedragen met fononen, quasideeltjes die betrokken zijn bij de verplaatsing van golftrillingen door materialen. Rembert Duine, professor aan de faculteit Technische Natuurkunde aan de TU/e en Universiteit Utrecht, en Andreas Rückriegel van de UU hebben een nieuwe theorie ontwikkeld om de voortplanting van spins via fononen in niet-magnetische materialen te onderzoeken.

Nieuwe theorie verandert mogelijk het ontwerp van toekomstige spintronische circuits Details van het model
Duine en Rückriegel plaatsen in hun nieuwe model een niet-magnetisch materiaal tussen een ‘sandwich’ van twee magnetische materialen. Een spinstroom die wordt overgedragen door magnonen wordt in magnetisch materiaal ter linkerzijde van het niet-magnetische materiaal opgewekt. Wanneer deze spinstroom de interface bereikt, reageert hij op de spins in het niet-magnetisch materiaal en dit brengt een door fononen aangedreven spinstroom voort in het niet-magnetisch materiaal. Wanneer de fononenstroom de tweede interface bereikt tussen het niet-magnetische en magnetische materiaal, veroorzaakt de door fononen aangedreven spinstroom een magnonenstroom in het magnetisch materiaal.

“Uit het model blijkt dat interacties tussen spins in de magnetische insulatoren en fononen in het niet-magnetisch materiaal een spinstroom veroorzaakt tussen de magneten die beweegt door de niet-magnetische insulator die de twee magneten van elkaar scheidt”, zegt Duine. Belangrijk is dat de resulterende door fononen aangedreven spinstroom een spinoverdracht van de ene magneet naar de andere mogelijk maakt over afstanden op een schaal van millimeters. “Ons model is slechts de eerste stap. Het moet nog experimenteel geverifieerd worden, maar het zou in de toekomst praktische gevolgen kunnen hebben voor elektronisch gedreven spintronische apparaten,” aldus Duine.

Het werk van Duine en Rückriegel is gepubliceerd in Physical Review Letters (PRL)