Het kwam als een verrassing: als men tin-atomen op een speciale manier rangschikt op een drager van silicium, dan wordt dat materiaal magnetisch. Dat opent mogelijkheden voor nieuwe vormen van informatieverwerking. Natuurkundigen van de Universität Würzburg hebben op dit gebied theoretische en praktische experimenten uitgevoerd.
Neem een kleine, dunne schijf silicium en bouw aan de oppervlakte tinatomen met een regelmatig patroon in. Hoewel beide basismaterialen geen enkele magnetische eigenschap bezitten, treedt bij deze combinatie magnetisme op. Regelmatig geordende patronen van elektronenspins zijn verantwoordelijk voor het onverwachte magnetisme.
De spin is het interne impulsmoment van elektronen. Omdat elektronen elektrisch geladen zijn, heeft dit draaien tot gevolg, dat ze automatisch ook een magnetisch veld opbouwen. Ze zijn dus zelf eigenlijk magneten.
Normaal gesproken heeft dit geen consequenties: het grote aantal elektronen (zelfs in kleine hoeveelheden materiaal) en het gegeven dat de ‘elektronenmagneten’ in alle richtingen zijn uitgericht, zorgt ervoor dat ze elkaar uiteindelijk onderling in evenwicht houden.
Aanvoelen
Dat tijdens het experiment van de natuurkundigen toch magnetische eigenschappen werden aangetoond, heeft een reden. Door de geavanceerde rangschikking van apart aangebrachte metaalatomen ontstaan regelmatig geordende patronen van elektronenspins.
Na de verbinding met het siliciumoppervlak bevat elk tinatoom slechts één elektron met zijn spin in de buitenste ring, een zogenaamd valentie-elektron. Deze is in staat om een verbinding met het naastliggende atoom te leggen, wat men zich figuurlijk kan voorstellen als het heen en weer springen van elektronen. Hierdoor wordt het mogelijk dat elektronenspins op verschillende plaatsen elkaar voelen en zich aanpassen.
Maar de natuurkundigen moesten nog een raadsel oplossen. Tijdens hun onderzoek konden ze vaststellen, dat de metaalatomen zich op zeer regelmatige afstanden op het silicium rangschikken en daarbij een zogenaamd driehoeksrooster vormen.
Het probleem van de frustratie
In de natuur heeft een spinformatie een patroon, waarbij de spins van de buren in tegengestelde richting wijzen, vaak de voorkeur. Voor de onderzoekers was het daarom dr vraag op welke manier dit in de driehoek zou functioneren. Waarop moet de spin van de derde partner zich oriënteren?
Dit schijnbaar onoplosbaar probleem staat in de natuurkunde bekend als ‘probleem van de frustratie’. De oplossing werd na uitgebreide onderzoeken duidelijk: de spins van de tinatomen hebben op de silicium drager een ongewoon patroon gevormd met een formatie in rijen (foto).
De ontdekking van deze magnetische ordening illustreert de basis van verbluffende mogelijkheden voor de sturing van elektronische wisselwerkingen op atomair niveau. Het onderzoek levert een handvat voor de basis om gevestigde halfgeleidermaterialen als silicium te benutten voor op elektronenspin gebaseerde informatieverwerking, waarbij de data magnetisch worden gecodeerd.
Theorie en experiment
Bij het onderzoek hebben fysici van de theoretische en experimentele onderzoeken nauw samengewerkt. Op de Fakultät für theoretische Physik und Astronomie I werden de atoomroosters en de springprocessen van de elektronen uitgebreid op de computer gesimuleerd. De experimenten werden uitgevoerd op de Fakult:at für experimentelle Phyisik IV.
De kennis over de rangschikking van de spins hebben de natuurkundigen verkregen met behulp van foto-elektronenspectroscopie. Daarbij werden elektronen door het beschieten met röntgenstraling losgemaakt uit de oppervlakte van het proefstuk en onderzocht op hun eigenschappen.
Uit de verdeling van hun energie en hoekpositie krijgt men de noodzakelijke informatie over de magnetische ordening. Parallel wordt hun gedrag in de zogenaamde veel-deeltjes-berekeningen gemodelleerd, waarbij direct het spinpatroon wordt meegenomen.
De resultaten van de beide varianten waren verrassend: beide methoden toonden overeenkomstige patronen in de signaalintensiteit, die uit een periodieke rangschikking van de spins voortvloeide. Een opmerkelijk resultaat – vooral, omdat in het experiment alleen maar niet-magnetische componenten werden gebruikt.
