Eerste elektrische schakeling met magnetische isolator dankzij sping..


Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Melissa Vianen
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2015/artikel.pag?objectnumber=307822
printerversie
14 september 2015, 2015/26

Eerste elektrische schakeling met magnetische isolator dankzij spingolven

Gezamenlijk persbericht van de Rijksuniversiteit Groningen, de Universiteit Utrecht en de Stichting FOM

Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen, de Universiteit Utrecht, de Universite 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 efficienter moeten zijn dan elektronische schakelingen. De resultaten
van het onderzoek worden op maandag 14 september om 17.00 uur online gepubliceerd in Nature Physics.
Figuur 1. Schematische weergave van het experiment
vergroten 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
vergroten Figuur 2. Microscoopbeeld van een van de samples gebruikt in het experiment
De twee parallelle lijnen zijn platina strips van 100 um 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).
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, beinvloedt 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.

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

Referentie
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.
Beschikbaar vanaf maandag 14 september, 17.00 uur: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3465

Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: prof.dr.ir. Bart van Wees, Ir. Ludo Cornelissen of dr. Rembert Duine (voor vragen over theorie).