Doorbraak in spintronica-apparaten voor ultradunne quantumcircuits

Artist’s impression van het quantum spin Hall-effect in een spintronica-apparaat van grafeen, geïntegreerd in een chip. De blauwe en rode bolletjes zijn spin-up en spin-down elektronen die langs de rand van het grafeen bewegen. Onder het grafeen zit het gelaagde magnetische materiaal CrPS₄. (Credits: ScienceBrush, Talieh Ghiasi)

Quantumfysicus Talieh Ghiasi heeft het quantum spin Hall (QSH) effect in grafeen voor het eerst aangetoond zonder externe magnetische velden. Het QSH-effect laat elektronen langs de randen van het grafeen bewegen zonder belemmering, terwijl al hun spins in dezelfde richting wijzen. “Spin is een quantummechanische eigenschap van elektronen. Je kunt het zien als een piepkleine magneet die de elektronen bij zich dragen, die omhoog of omlaag wijst,” legt Ghiasi uit. “We kunnen de spin van elektronen gebruiken om informatie over te dragen en te verwerken in zogenaamde spintronica-apparaten. Dergelijke circuits zijn veelbelovend voor geavanceerde technologieën, waaronder snellere en energiezuinigere elektronica, quantumcomputers en geavanceerde geheugentoestellen.”

Quantumtransport in grafeen vereist doorgaans toepassing van grote externe magnetische velden, die niet compatibel zijn met elektronische schakelingen. Ghiasi: “Vooral detectie van quantum spinstromen in grafeen heeft altijd grote magnetische velden nodig gehad, die praktisch onmogelijk zijn om op een chip te integreren. Het feit dat we nu quantum spinstromen kunnen realiseren zonder externe magnetische velden, opent de deuren naar toekomstige toepassingen van deze quantum spintronica-apparaten,”

Spintransport in grafeen
De wetenschappers van het Van der Zant-lab konden de noodzaak voor externe velden omzeilen door het grafeen bovenop een magnetisch materiaal te plaatsen: CrPS₄. Deze magnetische laag veranderde de elektronische eigenschappen van het grafeen aanzienlijk, wat het QSH-effect in grafeen in gang zette. ‘Het spintransport in grafeen wordt beïnvloed door het naburige CrPS₄, waardoor de stroom van elektronen in grafeen afhankelijk wordt van de spin-richting van de elektronen.” vervolg Ghiasi.

Behoud van spininformatie
De quantum spinstromen die de wetenschappers in het gestapelde grafeen-CrPS₄ zien, zijn ‘topologisch’ beschermd. Dat betekent dat het spinsignaal coherent over tientallen micrometers lange afstanden reist zonder de spininformatie in het circuit te verliezen. “Deze topologisch beschermde spinstromen zijn bestand tegen verstoringen en defecten, waardoor ze zelfs in onvolmaakte omstandigheden betrouwbaar zijn,” zegt Ghiasi. Het behouden van een spin-signaal zonder verlies van informatie is essentieel voor het bouwen van spintronica-circuits.