211service.com
Een mooie toekomst voor spintronica
De wens om kleinere, snellere en goedkopere elektronica te bouwen heeft een aantal onderzoekers ertoe aangezet om de spin van een elektron in transistors te gebruiken. Deze spintronische transistors kunnen zeer energiezuinig zijn en meer rekenkracht leveren dan traditionele transistors in een kleinere ruimte. Bovendien zouden in opto-elektronische toepassingen lasers en lichtemitterende diodes die profiteren van de spin van elektronen de gegevensdragende capaciteit van licht kunnen vergroten.
Maar een van de belangrijkste hindernissen in dit opkomende veld is dat de magnetische en halfgeleidermaterialen die nodig zijn om een spintronisch apparaat te maken notoir onverenigbaar zijn.
Nu hebben onderzoekers van de Ohio University en de Ohio State University een magnetisch halfgeleidersysteem ontwikkeld dat, op basis van eerste tests, een vooruitgang lijkt te zijn. Arthur Smith , hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Ohio, en zijn collega's hebben met succes mangaangallium, een magnetisch metaal, gekweekt op galliumnitride, een gewone halfgeleider die wordt gebruikt om blauwe lasers en LED's te maken en om radiofrequentiesignalen te versterken.
De onderzoekers zeggen dat de afstand tussen de atomen in de materiaallagen een bijna ideale match is, waardoor een soepele interface tussen de lagen ontstaat en daardoor de kans op het produceren van een werkbaar spintronica-apparaat wordt vergroot. Zonder een schone interface, zegt Smith, kunnen elektronen, wanneer ze over de barrière tussen het metaal en de halfgeleider reizen, hun oorspronkelijke spin verliezen, waardoor het apparaat kapot gaat. Bovendien behoudt hun nieuwe systeem zijn magnetische eigenschappen bij kamertemperatuur, zegt Smith. Veel potentiële spintronische materialen werken alleen goed bij extreem lage temperaturen, hoewel recente ontwikkelingen sommige materialen op kamertemperatuur hebben opgeleverd (zie A New Spin on Computing).
Hoewel verdere tests nodig zijn om te bevestigen dat elektronen hun spin-eigenschappen behouden tijdens het reizen van metaal naar halfgeleider, zegt Smith dat deze vroege tests bemoedigend zijn. We achten de kans groot dat het best goed gaat werken, zegt hij.
Elektronische systemen die de spin van een elektron gebruiken - een kwantummechanische eigenschap die in twee varianten voorkomt: omhoog of omlaag - zouden op dezelfde manier werken als de hedendaagse transistors, maar hebben verschillende voordelen. Momenteel is alleen elektrische stroom verantwoordelijk voor de logische functies in circuits. Stroom die door een transistor vloeit, vertegenwoordigt een 1; de afwezigheid van stroom, een 0. Als de spin van een elektron zou kunnen worden gecontroleerd, zou een spin-up-elektron een 1 kunnen voorstellen en een 0.
In tegenstelling tot elektrische stroom, kan spin worden gehandhaafd, zelfs als de stroom is uitgeschakeld, en een spintronisch circuit zou minder stroom verbruiken omdat er niet constant stroom hoeft te worden toegepast. Dit is de reden waarom bedrijven zoals Freescale Semiconductor onderzoek doen naar op spin gebaseerd solid-state geheugen (zie A Better Memory Chip ).
Een tweede voordeel is dat het gebruik van spin de informatieopslag- en transmissiecapaciteit van elektronen verder kan vergroten, waardoor microprocessors effectief sneller gaan werken.
Smith zegt echter dat elektronische toepassingen mogelijk nog ver in de toekomst liggen voor zijn systeem; in plaats daarvan is het misschien het meest geschikt voor opto-elektronische toepassingen, zoals lasers en LED's.
Hij legt uit dat de spin van elektronen in een halfgeleiderlaser de fotonen die door deze apparaten worden uitgezonden, kan beïnvloeden: een elektron met een bepaalde spin kan een foton creëren met een overeenkomstige spin, wat resulteert in gepolariseerd licht. Polarisatie - de algemene oriëntatie van lichtgolven - zou kunnen worden benut om een nieuwe gegevenslaag toe te voegen aan licht dat in telecommunicatie wordt gebruikt. Momenteel wordt informatie gecodeerd door de frequentie en fase van het licht aan te passen; polarisatiecodering zou daarom de capaciteit van optische lijnen kunnen vergroten.
De nieuwe materialen van de Ohio-onderzoekers hebben goede eigenschappen en daarom zou het systeem een kandidaat kunnen zijn voor optische toepassingen, zegt Kannan Krishnan , hoogleraar materiaalkunde aan de Universiteit van Washington in Seattle. Hoewel de groep geen echte apparaten heeft gebouwd, zegt hij dat het veelbelovend is.
Chris Palmstrom, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Minnesota, zegt dat het werk het eerste is dat magnetisch materiaal op galliumnitride kweekt. Toch moeten de onderzoekers volgens hem bewijzen dat ze er iets mee kunnen.
Bewijzen dat het systeem in een echt apparaat werkt, is de volgende stap voor de onderzoekers. Smith zegt dat ze hoogstwaarschijnlijk de lichtemitterende eigenschappen zullen testen om te bepalen hoe goed de spin van de elektronen in het magnetische materiaal zich vertaalt in gepolariseerd licht.