Eerste elektrische schakeling met magnetische isolator dankzij spingolven

Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen, de Universiteit Utrecht, de Université de Bretagne Occidentale en de Stichting FOM hebben een manier ontdekt om een elektrische schakeling te maken van een magnetische isolator. Tot nu toe leek dit onmogelijk. Zij gebruiken hiervoor spingolven: golfachtige veranderingen in de magnetische eigenschappen van een materiaal. Deze ontdekking is interessant voor de ontwikkeling van nieuwe, energiezuinige elektronica. Een schakeling gebaseerd op spingolven zou efficiënter moeten zijn dan elektronische schakelingen. De resultaten van het onderzoek zijn maandag 14 september online gepubliceerd in Nature Physics.

Bij elektronische schakelingen wordt het schakelsignaal veroorzaakt door de lading van bewegende elektronen. In de magnetische isolator is dat een spingolf. De spin is de magnetische eigenschap van een enkel elektron. Een spingolf ontstaat door een verstoring van de lokale magnetisatierichting in een magnetisch materiaal. Zo’n verstoring wordt veroorzaakt door een elektron met een afwijkende spin. Spingolven geven deze magnetisatieverstoring door. Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat elektrische signalen kunnen worden overgebracht in een isolerend materiaal.

Sterke verstoring

Tot nu toe lukte het niet om elektrische schakelingen gebaseerd op spingolven te maken, omdat het experimenteel niet mogelijk bleek de sterke verstoring van de magnetisatie te realiseren die hiervoor nodig is. FOM-werkgroepleider prof.dr. Bart van Wees en zijn promovendus Ludo Cornelissen, beiden van de Rijksuniversiteit Groningen en FOM-werkgroepleider dr. Rembert Duine van de Universiteit Utrecht zijn hier nu wel in geslaagd, door een slimme keuze van de geometrie. Hierdoor kan gebruik gemaakt worden van de spingolven die al aanwezig zijn vanwege thermische fluctuaties, waardoor een minder sterke verstoring nodig is.

YIG en platina

De spingolf-schakeling die de onderzoekers maakten, bestaat uit een 200 nanometer dunne laag van de magnetische isolator yttrium-ijzer granaat (YIG) met daarop aan beide kanten een strook van de geleider platina. Een elektron kan niet van het platina in het YIG bewegen, omdat dit niet geleidend is. Maar als het elektron op het grensvlak van YIG en platina botst, beïnvloedt dat wel de magnetisatie aan het YIG-oppervlak en wordt de spin van het elektron doorgegeven. Lokaal verstoort dit de magnetisatierichting en dat genereert een spingolf in het materiaal.

Omgekeerde proces

De spingolven die de onderzoekers zo het YIG insturen, worden gedetecteerd door de platinastrook aan de andere kant van het YIG. Hierbij vindt precies het omgekeerde proces plaats. De spingolf botst op het grensvlak van YIG en platina en geeft zijn spin door aan een elektron in het platina. Dat gaat daardoor bewegen en dus ontstaat een elektrische stroom die gemeten kan worden.

De combinatie van platina en YIG was al bekend uit eerder onderzoek van de fysici. Hieruit bleek dat bij de overdracht van spin van platina naar YIG ook warmte wordt overgedragen. Zo kan het grensvlak tussen YIG en platina gekoeld of verwarmd worden, afhankelijk van de spinrichting van de elektronen in het platina en de magnetisatierichting van het YIG.

Dit onderzoek is mede gefinancierd door de Stichting FOM, NanoLab NL, EU-FET Grant InSpin 612759 en het Zernike Institute for Advanced Materials. 

Publicatie

L.J. Cornelissen, J. Liu, R.A. Duine, J. Ben Youssef and B.J. van Wees,
Long distance transport of magnon spin information in a magnetic insulator at room temperature.
http://dx.doi.org/10.1038/nphys3465

Figuur 1. Schematische weergave van het experiment

Van links naar rechts: Een elektron met spin up (rood) botst op het grensvlak tussen YIG en platina. Bij de botsing keert de spin van het elektron om (groen). Dit proces genereert een spin golf in het YIG. De golf plant zich voort en botst op het tweede YIG-platina grensvlak, waar de spin wordt doorgegeven aan een elektron in het platinum. De spin van dat elektron draait daardoor om, wat er uiteindelijk voor zorgt dat een elektrische stroom ontstaat, die we meten.

Figuur 2. Microscoopbeeld van een van de samples gebruikt in het experiment

De twee parallelle lijnen zijn platina strips van 100 µm lang, 300 nm breed en 10 nm dik. De bredere aansluitingen zijn titaan/goud contacten, die worden gebruikt om een stroom I door de injector te sturen en de spanning V over de detector te meten (schematisch weergegeven).