Ga naar hoofdinhoud

Magnetische signalen opwekken met warmte

De natuurkundigen van de universiteit Bielefeld (D) experimenteren met nano-lagen op chipdragers. (foto: Universität Bielefeld)

De faculteit natuurkunde van de universiteit Bielefeld (D) neemt binnenkort deel aan vier in plaats van drie projecten van het prioriteitenprogramma ‘Spin Caloric Transport’ (SpinCaT) van de Deutsche Forschungsgemein-schaft. De natuurkundigen werken aan de elementaire fysieke basis om magnetische signalen met warmte op te wekken. Op de lange termijn zou dit de basis kunnen zijn voor de ontwikkeling van een energiebesparende computer. Het focusprogramma SpinCaT, dat in 2011 is opgestart, gaat nu de tweede fase in.

Elektronen hebben een eigen impulsmoment, dat men elektronenspin noemt. Deze zorgt ervoor, dat elektronen zich als kleine magneten gedragen. Ook als ze hun eigen positie behouden, kunnen ze hun elektronenspin aan naburige elektronen doorgeven. Sinds kort kan deze transportvorm van elektronenspins ook gericht worden geactiveerd met warmte. “Warmte komt vaak voor als afvalproduct zoals bij de koeling van een computer”, zegt prof. dr. Günter Reiss. “We willen processen ontwikkelen, die de warmte gebruiken om elektronenspins doelgericht te sturen”. Reiss is leider van de werkgroep ‘Dünne Schichten und Physik der Nanostrukturen’ bij het CSMD, die in vier van in totaal 30 projecten onderzoek doen binnen het programma ‘SpinCaT’.

Magnetische signalen zonder elektronentransport

Moderne elektronica is gebaseerd op elektronentransport, die door elektrische spanning wordt gestuurd. Bij een elektrische stroom bewegende elektronen zich dus via een elektrische geleider zoals een koperdraad. De natuurkundigen uit Bielefeld willen de elektronenspins gebruiken en niet de transport van de elektronen zelf, om daarmee nieuwe vormen van schakelingen te bouwen, die misschien zelfs door warmte kunnen worden gevoed. Het transport van elektronenspins verloopt zonder dat de elektronen zelf bewegen. Alleen het eigen impulsmoment wordt van elektron naar elektron doorgegeven.
Omdat er dus geen elektrische stroom nodig is voor een dergelijke spinstroom, zouden deze magnetische signalen ook kunnen worden opgewekt en doorgegeven in een materiaal, dat geen of slechts weinig elektrische stroom kan geleiden. “Zo ontstaat een zuivere spinstroom, waarbij de elektronenspins zonder elektrische stroom kunnen worden doorgegeven”, zegt Reiss. De natuurkundigen gebruiken daarvoor magnetische isolatoren. Hiertoe behoren bijvoorbeeld super dunne lagen, die bestaan uit nikkel-ferriet of ijzer-granaat.

Dit principe kan worden gebruikt om computerdata over te brengen. De computer gebruikt de waarden „0“ en „1“ als numeriek systeem om te rekenen en data op te slaan. Het impulsmoment van elektronen kan ook twee specifieke richtingen hebben. Om computerdata via elektronenspins over te brengen wordt het ene impulsmoment als “0” vastgelegd en het andere als “1”. Omdat de elektronen zelf niet voortbewegen in isolerende materialen, is voor deze manier van overbrengen veel minder energie nodig dan bij de gebruikelijke elektronen transport. “Computers, die met dergelijke spin-schakelkringen zouden werken, besparen op voorhand al energie. Ze zouden bovendien de niet gebruikte warmte kunnen aanwenden om de spintransport te sturen”, zegt dr. Timo Kuschel. De fysicus hoort bij de werkgroep van Günter Reiss en geeft samen met de prof. en zijn collega’s dr. Andy Thomas en dr. Jan-Michael Schmalhorst leiding aan de projecten in het SpinCaT-programma.

‘Synchrotron’ deeltjesversneller

De wetenschappers van de Universiteit Bielefeld concentreren zich op fundamentele onderzoeken voor het opwekken en manipuleren van spinstromen met warmte. Zij ontwikkelden daarvoor extreem dunne lagen, die ze gebruiken als magnetische isolatoren. Zij analyseren deze nano-lagen met een ‘Synchrotron’, een speciaal soort deeltjesversneller. Daarvoor gaan ze naar onderzoeksinstituten in Hamburg, Berlijn, Grenoble (Frankrijk) en Berkeley (USA). Voor het onderzoek in de SpinCaT-projecten werken ze samen met werkgroepen uit München, Regensburg, Braunschweig, Greifswald, Alabama (USA) en Sendai (Japan). Op uitnodiging van de faculteit voor natuurkunde discussieerden begin oktober circa 20 natuurkundigen uit vier landen tijdens een bijeenkomst in de universiteit Bielefeld over hun metingen en analyses van de thermisch gegenereerde spinstromen.

Het SpinCaT-onderzoek in Bielefeld wordt ondersteund met € 800.000. Het is ondergebracht bij het ‘Center for Spinelectronic Materials and Devices’ (CSMD, Zentrum für Spinelektronische Materialien und Geräte).

 

 

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven