Av og til er 80 mikrometer nok

Fysikere har greid å sende og kontrollere en spinnstrøm over lengre avstander enn før og i et materiale som tidligere var regnet som uegnet.

Vi kommer tilbake til hva den merkelige setningen egentlig betyr. Men en spinnstrøm er en strøm som holdes i gang uten at det trenger å være en strøm av ladninger samtidig.

– Vi har overført spinn over 80 mikrometer i en antiferromagnet, oppsummerer Arne Brataas, professor ved Institutt for fysikk og leder av det ganske så nystartede QuSpin, Center for Quantum Spintronics ved NTNU.

Kjøleskapsmagneter. Men det er ikke sånne de bruker. Foto: Steinar Brandslet, NTNU VIS MER

80 mikrometer? Det er jo bare 8/100 000 meter. Er det så imponerende?

– Vi greier ikke akkurat å sende signaler til den andre siden av byen. Men dette er langt innen nanoelektronikk, fastslår professor Brataas.

Nanoelektronikk er grunnlaget for alle de smarte dingsene vi omgir oss med.

Akkurat nå skal du begynne å trippe og glise. For 80 mikrometer begynner altså å bli så langt at det kan få betydning også for andre enn dem som er interessert i kunnskap for kunnskapens skyld.

QuSpin har samarbeidet med fysikere i blant annet Tyskland og Nederland. Resultatene er så interessante at de publiseres i det ferskeste nummeret av Nature.

• Les også: Strøm kan lages på nanonivå

Så hva er spinntronikk?

Fremtidens teknologi kan være avhengig av spinntronikk. Om du ikke aner hva det er, kan du like gjerne lære det. Men du kan også hoppe frem til neste mellomtittel om du heller bare vil lære om den praktiske bruken.

Atomer har flere deler. En av disse delene er negativt ladede elektroner. Det har mange lært i naturfagtimene.

Men elektroner har ikke bare ladning, de har også spinn, en tilsynelatende indre rotasjon.

Spinnet har en retning. Dette er grunnlaget for magnetisme. Et ferromagnetisk materiale har en overvekt av spinn i én bestemt retning. Dette er sånne magneter som du henger opp bilder med på kjøleskapsdøra.

Illustrasjon 1: Grunnen til at et materiale er ferromagnetisk er at en overvekt av atomene har magnetismen orientert i samme retning. I sum blir dette til et materiale som oppleves som magnetisk også i makroskopisk målestokk. Illustrasjon: Erik Folven, NTNU VIS MER

Antiferromagnetiske materialer er også magnetiske, men du merker det ikke. Atomene i materialet veksler nemlig mellom spinn i den ene eller andre retningen. Disse spinnene nuller dermed ut hverandre, slik at materialet i seg selv ikke har et magnetisk moment. De fungerer ikke på kjøleskapsdøra.

Hvordan spinn er organisert kan altså ha svært tydelige følger for hvordan et materiale oppfører seg. Spinnet kan vi utnytte.

Magnetisme kan overføre signaler

Nå snakker ikke professor Brataas og hans medarbeidere så mye om praktisk bruk. Det får vi andre gjøre.

Med dagens teknologi overføres signaler i datamaskinenes mikrobrikker ved hjelp av elektrisk ladning. I en elektrisk strøm flommer både elektroner og spinn gjennom materialet.

Men i framtida kan en spinnstrøm gjøre deler av den samme jobben. Da overfører du signalene ved hjelp av magnetisme istedenfor, helt uten at elektroner flytter seg med strømmen.

Illustrasjon 2: I antiferromagneter er ikke magnetismen på atomnivå organisert i samme retning, som i de vanlige magnetene. Isteden er denne organisert i et mønster der magnetismen knyttet til ett atom peker i motsatt retning av naboens. Illustrasjon: Erik Folven, NTNU VIS MER

Så hva er fordelene med dette?

• Vel, for det første kan en spinnstrøm noen ganger flyte lettere enn ladningsstrøm, siden det ikke er elektronene som beveger seg, bare spinnet. Det blir altså mindre energitap i overføringen av signalet.
• Dermed vil ikke en spinnstrøm skape en stor varmeutvikling som er blitt en stadig større del av problemet etter hvert som transistorene på mikrobrikkene er blitt stadig mindre. Mikrobrikkene smelter. Ved å bruke spinnstrøm kan du altså lage mindre transistorer. Som igjen er praktisk etter hvert som nye elektroniske dingser dukker opp over alt.
• Dessuten, spinnstrømmen kan kontrolleres mye raskere. Og da vil jo dingsene bli mye hurtigere.

Kan kontrollere spinnstrømmen

Nå ville ikke dette vært så spennende resultater om fysikerne ikke samtidig kunne kontrollere spinnstrømmen. Men det kan de også.

• De kan sette i gang spinnstrømmen med elektriske felt i den ene enden av materialet. Signalet strømmer gjennom materialet uten at elektronene flytter seg fra den ene til den andre siden.
• De kan også gjøre det motsatte i den andre enden, nemlig å overføre spinnstrømmen til en elektrisk strøm.

Dette har de greid å gjøre i noe nær romtemperatur. Vel, 200 grader Kelvin er tross alt minus 73,15 grader, og det er temmelig hustrig i et rom, men det er ikke verre enn at den slags temperaturer oppstår naturlig på Jorda. De regner med at de snart skal klare dette ved en mer behagelig romtemperatur også.

Forskergruppen brukte antiferromagneten hematitt, et jernoksid (Fe₂O₃), i forsøkene.

Resultatene denne gang er så klart bare et stykke på veien. Forskergruppen vil gå videre med å teste andre materialer, og se på hvordan disse materialene reagerer på ulike typer påvirkninger.

Gruppen brukte antiferromagneten hematitt i forsøkene. Foto: Colourbox VIS MER

• Les også: Jakten på fremtidens datamaskiner

Høy risiko, men stor betydning

NTNUs QuSpin ble et Senter for fremragende forskning (SFF) i fjor, en status som henger svært høyt.  Senteret er opprettet for å kombinere teori med eksperimentell fysikk innen spinntronikk. Det kan altså allerede vise til verdensledende resultater.

– Senteret fokuserer på prosjekter med høy risiko og stor betydning i mange ulike retninger, oppsummerer professor Brataas.

Statusen som SFF har gitt mer stabile vilkår, siden QuSpin er sikret støtte i ti år. Det bidrar til økonomisk rom for å feile også. Og feile gjør de stadig vekk.

Mange av eksperimentene deres stemmer ikke med teoriene eller omvendt, og det er viktig på sitt vis. Men noen lander, og da kan det få spesielt stor betydning.

• Les også: Ein fysikars våte draum

Internasjonalt samarbeid

Statusen som SFF har også gitt større muligheter for å samarbeide med andre toppforskere. Du får ikke SFF-status uten å ha vist tidligere at du kan prestere på aller høyeste nivå innenfor fagfeltet.

De sentrale forskerne er alle tilknyttet QuSpin ved NTNU, enten i heltids- eller deltidsstillinger.

NTNU har bidratt sterkt til det teoretiske grunnlaget for forsøkene. Forsker Alireza Qaiumzadeh har vært sentral i dette arbeidet. Det samme har førsteamanuensis Rembert Duine ved Universiteit Utrecht i Nederland vært.

Selve forsøkene er utført ved Johannes Gutenberg Universität Mainz, der professor Mathias Kläui er leder. Både Duine og Klaeui er tilknyttet QuSpin gjennom deltidsstillinger ved NTNU.

Ikke bare SFF-statusen sørger for mer forutsigbare forhold for forskergruppen. Brataas er også tildelt et såkalt ERC Advanced Grant på 19 millioner kroner fra Det europeiske forskningsrådet.

Dette er med andre ord forskning i verdensklasse. En dag kan den bidra til direkte følger for deg.

Kilde:

Nature. Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide. R. Lebrun, A. Ross, S. A. Bender, A. Qaiumzadeh, L. Baldrati, J. Cramer, A. Brataas, R. A. Duine & M. Kläui. https://www.nature.com/articles/s41586-018-0490-7