Nederland kent vijf academische centra die op hoog internationaal niveau onderzoek doen naar spintronica. In spintronica staat niet de lading van het elektron centraal, maar zijn draaimoment. Het onderzoeksgebied onderscheidt zich van andere nanotechnologie omdat het zich kan beroepen op een succesvol commercieel verleden. Bits&Chips keek samen met de Eindhovense hoogleraar Bert Koopmans naar wat spintronica in petto heeft.
De halfgeleiderindustrie gebruikt al decennialang de aan- of afwezigheid van lading om minuscule schakelaartjes te maken voor dataopslag en rekenwerk. Daarmee maken chipmakers handig gebruik van de eigenschap waaraan het elektron zijn naam dankt. Deze drager van 1,60 x 10-19 coulomb lading heeft echter nog een eigenschap om micro-elektronica op te baseren: spin.
Spin is een fenomeen uit de kwantummechanica. Natuurkundigen stellen het vaak voor als de draaiing van een deeltje om zijn eigen as, met de klok mee of juist tegen de klok in. Door de rotatie ontstaat een magnetisch moment dat voorgesteld wordt door denkbeeldige kompasnaaldjes die ofwel naar boven of naar beneden wijzen. Deze voorstelling van zaken heeft waarschijnlijk weinig met de realiteit van doen – voor zover er überhaupt van een realiteit te spreken valt in de bizarre kwantumwereld. Het leidt evenwel geen twijfel dat elektronen de grootheid spin kennen. In de macroscopische wereld manifesteert het zich bijvoorbeeld als magnetisme.
Juist omdat de kompasnaaldjes slechts twee oriëntaties kunnen aannemen, was het geen grote gedachtesprong om spin te kandideren als alternatief voor lading. Al vele jaren doen onderzoeksgroepen wereldwijd daartoe onderzoek. Sinds het einde van de jaren negentig is voor dat onderzoek de term spintronica in zwang, een neologisme voor spingebaseerde elektronica. Daarvoor werd het gebied meestal magneto-elektronica genoemd.
Onderzoek dat durft te knabbelen aan de fundamenten van een miljardenindustrie trekt natuurlijk de aandacht. Spintronica is een dankbaar onderwerp voor elektronicabladen en wetenschapsbijlagen, niet in het minst door de toespelingen op revolutionaire elektronica die researchers nogal eens maken. Eigenlijk hoeven ze niet eens in te spelen op toekomstige toepassingen: apparaten die gebruikmaken van spintronica zijn nu al gewoon te koop. Anders dan veel andere onderzoeksgebieden in de nanotechnologie kan spintronica nu al bogen op grote successen.
Tunnelen
Verreweg de meest succesvolle toepassing die leunt op het magnetisch moment van elektronen is de harde schijf. De sensor in de leeskop berust op het zogenaamde giant magnetoresistive (GMR) principe en bestaat uit een laagje niet-magnetisch metaal geklemd tussen twee ferromagnetische lagen (permanent gemagnetiseerd). De weerstand die een stroompje ondervindt in de sandwichstructuur hangt af van de oriëntatie die de spins van elektronen in de twee ferromagnetische lagen ten opzichte van elkaar aannemen. Als de naaldjes allemaal in dezelfde richting wijzen, is de weerstand lager dan wanneer ze in de ene laag tegengesteld gericht staan aan die in de andere laag.
Onderzoekers hebben op basis van dit in 1988 ontdekte effect een detector gemaakt die zeer gevoelig is voor veranderende magnetische velden. Spins reageren namelijk op een extern magnetisch veld net als een kompasnaald dat doet. De GMR-sensor leest zodoende de bits af van de harddisk door stroomveranderingen te registreren wanneer de kop over de minuscule magnetische eilandjes beweegt.
Volgens hoogleraar Bert Koopmans vormen de geavanceerde harddiskkoppen die in de jaren negentig werden ontwikkeld de eerste generatie spinelektronica. Koopmans staat aan het roer van onderzoeksprogramma Nanospintronics, een van de elf vlaggenschepen waaromheen Nanoned zijn nanotechnologisch onderzoek heeft georganiseerd. Zijn groep aan de Technische Universiteit Eindhoven (TUE) doet spintronisch onderzoek. Hij heeft collega‘s in Delft, Groningen, Nijmegen en Twente.
Koopmans: ’De interactie tussen elektriciteit en magnetisme is een natuurkundige klassieker. GMR ligt daarom nog als het ware in het verlengde van vertrouwd fysisch onderzoek. Dat zou je ook kunnen zeggen over Magnetoresistive Ram-chips (MRam), een voorbeeld van de tweede generatie spintronica.‘ Freescale bracht vorig jaar als eerste dit niet-vluchtige geheugentype op de markt. Tot op heden is het marktaandeel van MRam dermate klein dat gerust van een experimenteel product mag worden gesproken. Desalniettemin gooien de chips van Freescale hoge ogen bij de analisten.
MRam is net als de GMR-sensor gebaseerd op een drielaagse structuur, maar in plaats van een metaal zit er een isolerend materiaal in de sandwich. Hoewel dat laagje isolator, hoe dun ook, eigenlijk geen stroom door kan laten is het uitlezen van MRam tóch een kwestie van weerstand meten, net als de GMR. ’Er kan een stroompje lopen dankzij een kwantummechanisch effect genaamd tunnelen. Dit maakt het mogelijk dat elektronen zich niks in de weg hoeven te laten leggen door een barrière zoals een isolator. Elektronen hoeven daarbij niet over de barrière, maar kunnen er als het ware dwars doorheen‘, legt Koopmans uit.
De huidige generatie MRam staat in de geheugenmarkt onder andere tegenover DRam en flash. In tegenstelling tot flash is de nieuwste exponent van spintronica echter eindeloos herschrijfbaar en bovendien energiezuiniger. Als meerwaarde ten opzichte van DRam heeft MRam evenals flash een niet-vluchtig karakter waardoor de cellen niet continu ververst hoeven te worden. Toekomstige versies zouden ook sneller kunnen zijn dan DRam-technologie en nog ook op het gebied van energieverbruik valt nog veel terrein te winnen. Qua celdichtheid heeft MRam echter vooralsnog een harde dobber aan zijn concurrent: DRam herbergt momenteel nog veel meer bits per oppervlakte-eenheid.
Streepje voor
Het onderzoek naar de volgende generaties spintronica is wel een kwestie van toekomstmuziek. Koopmans maakt onderscheid tussen een derde en een vierde. De vierde behelst de manipulatie van individuele spins voor kwantumrekenen. In Bits&Chips 12 benadrukte Spinozapremie-winnaar Leo Kouwenhoven al dat het nog wel even gaat duren voordat de eerste kwantumcomputers ten tonele verschijnen. De aanstaande, derde generatie spintronica is dan ook minder ambitieus, al verschuift het perspectief ook langzamerhand van opslag naar het echte rekenwerk.
’In de derde generatie gaat spintronica dichter naar de transistoren toe zoals we die kennen. Het draait daarbij allemaal om de injectie van spins in een ander medium. Dat principe kan bijvoorbeeld gebruikt worden om langs efficientere wijze een nieuw type MRam-geheugencel te schrijven‘, aldus Koopmans. Een ’spintransistor‘ heeft een aantal potentiële voordelen op zijn broertje die gebaseerd is op lading. Er wordt bijvoorbeeld gespeculeerd over hogere informatiedichtheid bij een lager energieverbruik. Spins zijn bovendien te manipuleren met magnetische velden of gepolariseerd licht. ’De ultieme droom is om met externe stimuli aan de functie van geïntegreerde schakelingen te morrelen. Dezelfde IC zou zowel als een communicatie-, opslag- en rekeneenheid in dezelfde chip kunnen functioneren.‘
Er was altijd een probleem met halfgeleiders in de spintronica. Het injecteren en manipuleren van spin in het vertrouwde silicium wilde maar niet lukken. En elektronische nieuwigheden die zich niet gemakkelijk laten inpassen in standaard CMos-technologie hebben beslist geen streepje voor, weet Koopmans. ’Verschillende groepen hebben gepubliceerd over spininjectie in halfgeleiders als galliumarsenide. Maar juist in silicium is het moeilijk om spininjectie aan te tonen. De gebruikelijke optische meettechnieken zijn namelijk niet geschikt voor silicium, hetgeen betekent dat je spins niet alleen langs elektrische weg moet injecteren, maar ze er vervolgens met complementaire elektrische technieken weer ’heel‘ uit moet halen. Alleen met zo‘n complete elektrische schakeling kun je aantonen dat je ze er überhaupt in had gestopt.‘
Afgelopen mei leek er een lichtpuntje aan de horizon te gloren. Onderzoekers van de University of Delaware maakten toen wereldkundig dat ze elektronen uit aluminium dwars door een laagje ijzer in silicium hadden geïnjecteerd. Ian Appelbaum, die het onderzoek leidde, sprak van de heilige graal in de halfgeleiderspintronica. Koopmans is echter wat voorzichtiger. ’Ik wil niets afdoen aan de schoonheid van het experiment, maar in termen van toepassingen moeten we niet overdrijven. Appelbaum en zijn collega‘s maakten gebruik van zogenaamde hete elektronen – die hele andere eigenschappen kunnen hebben dan elektronen in reguliere schakelingen.‘
Een andere recente ontwikkeling komt van Nederlandse bodem. Onderzoekers van het Groningse Zernike Institute for Advanced Materials toonden aan dat grafeen (’kippengaas‘ van koolstofatomen) uitstekend in staat is om spin te transporteren. De spin bleef over relatief lange afstanden behouden. Dat is niet vanzelfsprekend want door interacties met zijn omgeving kan een deeltje zijn spin gemakkelijk verliezen. De groep van Bart van Wees liet bovendien zien dat grafeen net zo goed bij kamertemperatuur werkt als bij zeer lage temperaturen. Daarmee lijkt de tweedimensionale koolstofvariant een veelbelovend materiaal voor toekomstige spintronische devices.
Dit zijn slechts twee grepen uit de actualiteit van spintronisch onderzoek, dat vanuit opvallend veel verschillende invalshoeken wordt bedreven. ’Het is een dynamisch, spannend en veelzijdig onderzoeksgebied‘, benadrukt Koopmans, die desalniettemin blij is dat hij af en toe al kan teruggrijpen op de successen die reeds met spintronica zijn geboekt. ’Dat maakt mijn leven als wetenschapper zonder ivoren toren een stuk gemakkelijker. Ik kan direct wijzen op de parallellen van het huidige onderzoek met die van vijftien jaar geleden.‘
Dankzij de rijke commerciële historie van spingebaseerde apparaatjes durft Koopmans bovendien zelfs een schatting te maken van wanneer de derde generatie spintronica op de markt gaat komen. ’De ervaring leert dat er ruim tien jaar overheen gaat tussen het cruciale experiment dat een effect aantoont en het verschijnen van een toepassing op de markt. Zo is het met GMR en MRam gegaan. Aangezien spininjectie in bijvoorbeeld halfgeleiders dateert van rond het jaar 2000, mogen we uitgaan van de periode 2010 tot 2015.‘ Koopmans blijft natuurlijk wel wetenschapper. ’In het verleden behaalde resultaten vormen geen garantie voor de toekomst‘, voegt hij er glimlachend aan toe.