Allemaal dezelfde kant op

Spin-gepolariseerde superstroom in piepkleine laagjestaarten

Leidse natuurkundigen wisten een speciaal soort superstroom door een magnetisch draadje heen te jagen. Dat opent de weg naar een nieuw soort elektronica. ‘Ik vergelijk het altijd met een tekenfilmfiguur dat niet snapt dat ‘ie moet vallen.’

600 nanometer is, hemelsbreed, niet zo gek ver. Er zitten duizend micrometers in een millimeter, en duizend nanometers in een micrometer. Je hebt een behoorlijk sterke microscoop nodig om een voorwerp van 600 nanometer überhaupt te kunnen zien.

Het chroomdioxide-draadje van 600 nanometer lang, zorgvuldig geknutseld in het lab van hoogleraar experimentele natuurkunde Jan Aarts, is echter wel groot nieuws. Aarts en zijn medewerkers joegen er een zogeheten spin-gepolariseerde superstroom doorheen, en voor zulke stroompjes is 600 nanometer het verste ooit. In principe is het ver genoeg om apparaten te maken die gebruikmaken van de bijzondere eigenschappen van zo’n stroom. Zuiniger harde schijven, bijvoorbeeld.

Als je het woord ‘zogeheten’ ziet staan in dit soort artikelen, dan weet je dat er een uitleg volgt. Die uitleg grijpt in dit geval terug op twee stukjes glorieuze Leidse natuurkundegeschiedenis. Allereerst het woordje ‘spin’. Op de middelbare school leerde u over atomen als een grote ronde klont, de kern, waar de elektronen als kleine bolletjes omheen slingerden. Dat beeld is eigenlijk onjuist, maar als je desondanks aanneemt dat elektronen als kleine bolletjes rond hun as draaien, dan vallen allerlei raadsels uit experimentele waarnemingen ineens keurig op hun plaats. De Leidse promovendi Sam Goudsmit en George Uhlenbeck kwamen met het idee, en wonnen er stapels natuurkundeprijzen mee. Die elektronenspin is niet alleen een idee: je kan meten dat het er is.

Spin kan twee richtingen hebben: omhoog of omlaag. In niet-magnetische metalen, zoals koper, zitten evenveel elektronen met een spin omhoog als omlaag. In andere stoffen is dat anders: ijzer heeft bijvoorbeeld een overschot aan omhoog spinnende elektronen.

Concept nummer twee is supergeleiding. Net als de elektronenspin ontdekt in het Kamerlingh Onnes-gebouw, door professor Heike Kamerlingh Onnes himself. Als je bepaalde materialen maar koud genoeg maakt – 240 graden onder nul is al aan de warme kant voor dit verschijnsel – dan verdwijnt de elektrische weerstand volkomen. Elektronen kunnen er ongehinderd doorheen reizen, en dat maakt allerlei krachtige toepassingen mogelijk, zoals de supersterke magneten in een MRI-scanner.

Mensen als Aarts bouwen piepkleine laagjes-taarten van verschillende materialen om met die verschijnselen te spelen. In sensoren en in de leeskoppen van computergeheugen zit bijvoorbeeld zo’n taartje, met laagjes magneetijzer en een niet-magnetisch materiaal. Het maakt voor de weerstand van het stapeltje uit of de magnetisatie van de ijzerlaagjes dezelfde kant op wijst of juist niet. Dat verschijnsel – het GMR-effect – berust op de spin van de elektronen die door de verschillende materialen reizen.

Volgende stap: in theorie kan je met elektronenspin ook een van de magneetveldjes omdraaien. Als je dat een beetje snel kan doen, kan je met je magneet een code schrijven: de ene magnetisatierichting noem je 1, de andere 0. ‘Je moet niet vragen hoe je de code uit wil lezen, maar zo zou je kunnen denken’, aldus Aarts. Als je een magneetveldje om wil keren, heb je echter veel meer elektronen nodig dan voor zo’n GMR-effect. Die elektronen lopen allemaal door je zorgvuldig gebouwde laagjes, ondervinden weerstand, je taart wordt steeds warmer, en elektronen verliezen de bijzondere spin-eigenschappen waar het nou net allemaal om draaide. Jammer, maar niets is nu eenmaal perfect in deze zondige wereld.

Behalve supergeleiders, dan.

Die liggen echter niet voor de hand voor deze truc. Aarts: ‘Supergeleiding berust vrij wezenlijk op paren van elektronen met een tegengestelde spin, die samen door de supergeleider bewegen.’ Die twee tegenovergestelde spins kun je tegen elkaar wegstrepen: de netto spin is nul. Maar voor het omzwiepen van een magnetje, wil je juist wèl een netto verschil in spin hebben: meer omhoogjes dan omlaagjes, of andersom, maar in elk geval niet fifty-fifty.

Sinds 2010 zijn er bewijzen dat het ook mogelijk is om twee elektronen met dezelfde spin te supergeleiden, maar het maken gelijke-spin-paren uit gewone paren is lastig. Aarts: ‘De mogelijkheid zat eigenlijk al sinds de jaren zestig in de theorie, maar niemand kon er wat mee. Je moet hele dunne laagjes van verschillende materialen maken, en die dan op de juiste manier stapelen. Er was geen vraag voor dit antwoord.’

Meerdere onderzoeksgroepen maken inmiddels laagjestaarten waarmee het wel kan. ‘Het is een kwestie van dunne en dikke laagjes afwisselen, en de dikte luistert heel nauw.’ Tussen de supergeleider die de paren levert en de magnetische laag waar ze verder reizen zit behalve een laagje koper een werkelijk flinterdun nikkellaagje van slechts 1 nanometer dikte, zo valt te lezen in hun publicatie erover in vakblad Physical Review X. Omdat dat er is, kunnen er elektronenparen met dezelfde spinrichting ontstaan.

Het mooie van supergeleiding is dat heel even buiten supergeleiders kan bestaan. Aarts: ‘Ik vergelijk het altijd met een tekenfilmfiguur dat doorloopt voorbij de rand van de afgrond, en nog niet doorheeft dat ‘ie eigenlijk naar beneden moet vallen.’

Als je de afstand niet te groot maakt, kan je dus een supergeleidend stroompje door een niet-supergeleider jetsen. Zelfs door een magneet, zodat de elektronen die die reis maken allemaal dezelfde spin hebben. Dat is wat het lab van Aarts heeft gedaan, over die recordafstand van 600 nanometer waar we mee begonnen.

Het geheime wapen is het magnetische materiaal in het midden: chroomdioxide. Oudere lezers kennen het als het spul waar cassettebandjes hun informatie in opsloegen. In ijzer zitten er ongeveer 50% meer omhoog spinnende elektronen dan omlaag spinnende elektronen; chroomdioxide is een materiaal waarin maar één spinrichting voorkomt. Een paar van twee omhoog spinnende elektronen komt dus onderweg nooit een omlaag spinnend elektron tegen dat ertegen weggestreept kan worden.

‘Chroomdioxide is het koper van dit soort elektronica’, vertelt Aarts trots. Het maken van draadjes van dat spul is vooralsnog verrekte lastig, maar zijn postdoc Amrita Singh heeft uitgevonden hoe het moet. ‘De volgende stap is ook echt iets doen met zo’n gepolariseerde superstroom; dat heeft nog niemand laten zien. Maar wij zijn goed gepositioneerd om dat te doen: chroomdioxide is er zeer geschikt materiaal voor, als je het eenmaal getemd hebt.’ BB

Deel dit bericht:

Voorpagina

Achtergrond

Wetenschap

Nieuws

Rubrieken

071-527...: Aardappel

Professor Rebecca Earle (Universiteit van Warwick) is gefascineerd door de normaliteit …

English page