Gebogen nano-kanaaltjes brengen efficiëntere chips dichterbij

Om de efficiëntie van microchips te vergroten kijken onderzoekers naar de mogelijkheden van 3D-chips. Maar componenten die werken met de spin van elektronen, in plaats van hun lading, zijn eigenlijk altijd plat. Om deze componenten aan 3D-elektronica te koppelen, hebben onderzoekers uit Utrecht en Groningen samen met Duitse, Italiaanse en Britse collega’s gebogen kanaaltjes voor spintransport gemaakt. Ze ontdekten dat die nieuwe geometrie het mogelijk maakt om de lading- en spinstroom los van elkaar te beïnvloeden. De resultaten zijn op 13 september online gepubliceerd door het tijdschrift Nano Letters.

Het onderzoek begon met twee belangrijke vragen: hoe kun je de spinstroom afstellen met behulp van de vorm van de kanaaltjes, en hoe is spintransport mogelijk te maken in een 3D-nanostructuur? Die spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, een vorm van magnetisch moment waarmee het mogelijk is om informatie te versturen of op te slaan. Spin wordt al gebruikt in computergeheugens, maar dat zou ook in logische circuits kunnen.

We kunnen de spin- en ladingsstroom onafhankelijk van elkaar aanpassen

“Tot nu toe was spintronica altijd gebaseerd op een platte structuur. Wij wilden weten hoe spinstromen zich gedragen in een gebogen kanaaltje”, vertelt natuurkundige Kumar Das van de Rijksuniversiteit Groningen en eerste auteur van de publicatie. Hij gebruikte een substraat van siliciumoxide waarin geultjes gemaakt zijn met een ionenstraal, een ontwerp van medeauteur Denys Makarov van onderzoekscentrum HZDR in Dresden. Das liet hier nanokanaaltjes van aluminium op groeien, die dwars door de geulen liepen. Door deze gebogen architectuur was de dikte van het aluminium op nanoschaal niet overal gelijk.

De onderzoekers gebruikten geulen van verschillende grootte en maten zowel de spinweerstand als de ladingsstroom. “Wat wij ontdekten is dat de variatie in de grootte van de geulen het transport van spin en van lading verschillend beïnvloedde”, legt Das uit. “Dus kunnen we de spin- en ladingsstroom onafhankelijk van elkaar aanpassen, via de vorm van de kanaaltjes.

Functionaliteit

Zijn collega Carmine Ortix van de Universiteit Utrecht ontwikkelde een theoretisch model dat dit fenomeen beschrijft. “Onze theorie laat overtuigend zien dat het mogelijk is om het gedrag van spin en lading onafhankelijk van elkaar af te stellen, door alleen de vorm van het materiaal te veranderen. Hiermee kunnen we technische problemen oplossen die de toepassing van spintronica in moderne elektronica nu nog in de weg staan”, aldus Ortix. “Door platte structuren te verbinden aan driedimensionale kunnen we de bestaande mogelijkheden daarvan uitbreiden of zelfs totaal nieuwe functionaliteit krijgen, alleen maar door de vorm van het materiaal gericht aan te passen”, zegt Ortix.

“Dit is een belangrijke ontdekking, omdat het zo mogelijk is om de spin- en elektronenstroom van spintronische componenten zo af te stellen dat ze goed aansluiten op elektronische circuits”, vervolgt Das. “Op die manier kunnen we spininjectie of -detectie en spintransistoren integreren in moderne 3D-circuits.” Dat kan zuinigere elektronica opleveren, aangezien spintronica doorgaans bij een lagere spanning werkt. “En we kunnen het model gebruiken om onze kanaaltjes af te stemmen op specifieke toepassingen.”

Publicatie

Independent Geometrical Control of Spin and Charge Resistances in Curved Spintronics, Nano Letters, 13 september. DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01994
Kumar Sourav Das, Denys Makarov, Paola Gentile, Mario Cuoco, Bart J. van Wees, Carmine Ortix* and Ivan J. Vera-Marun.

*Auteur verbonden aan de Universiteit Utrecht.