De lading van het elektron is sinds de radiobuis de basis van alle elektronica. GPS, GSM, LCD en MP3; alles werkt op basis van geladen elektronen, op reis door draden en halfgeleiders. Maar er zijn twee soorten elektronen: spin-op en spin-neer. Dat kun je opvatten als een digitale 0 of 1. Wie erin slaagt om de zogenaamde ‘elektronspin’ te manipuleren, opent de poort naar een nieuw veld van ontwikkeling. “Dit kan leiden tot een nieuwe klasse van snelle, energiezuinige elektronica, die opslag, communicatie en dataverwerking op één enkele chip combineert,” schreef natuurkundige David Awschalom twee jaar geleden in het populair wetenschappelijke blad Scientific American. Daarin schetst hij ook wat we in de komende jaren aan spintronica kunnen verwachten. Neem nou het magnetische werkgeheugen, het ‘MRAM’ in computerspraak. Het magnetische RAM houdt alle gegevens vast, ook wanneer de computer wordt uitgeschakeld. Daardoor start de computer sneller op en kun je verder waar je gebleven was. Het MRAM is bovendien even snel als het RAM werkgeheugen van de huidige computers. Veel sneller dus dan de Flashcard in de digitale camera, een andere vorm van stroomvrij geheugen. David Awschalom leidt de onderzoeksgroep in Santa Barbara, Californië, die het historische experiment naar elektronspin uitvoerde. Ze lieten een klein elektrisch stroompje lopen door een ingeklemd stripje halfgeleider van 0,3 mm lang en 0,1 mm breed. Met een speciale microscooptechniek wisten ze zichtbaar te maken dat elektronen met verschillende spins zich aan weerszijden van de halfgeleider bewegen. In het midden was er geen netto spin te zien. Ze waren er in geslaagd om elektronen te scheiden op basis van hun spin. Elektronspin heeft alles te maken met magnetisme. De eigenschap ‘spin’ wordt wel voorgesteld als het magnetische veld dat een elektron veroorzaakt door het ronddraaien. Net als de draaiing twee richtingen kan hebben, heeft ook het magnetische veld, ofwel de spin, twee mogelijke oriëntaties: op en neer. Natuurlijk is het beeld misleidend: het elektron is geen bolletje en heeft geen afmeting, maar wel lading en spin. Magnetisme, en daarmee elektronspin, is van groot belang voor data-opslag. De eerste IBM-computers werkten al met magneetkerngeheugens en nog steeds vormt magnetisme de basis van dataopslag op harde schijven en cassettes. De enorme miniaturisering van de schijven en de toename van de opslagcapaciteit is zelfs te danken aan een ‘spintronisch’ effect: de Giant MagnetoResistentie (GMR). Dit is de grote verandering van elektrische weerstand onder invloed van een magnetisch veld bij dunne laagjes magnetisch materiaal. Toepassing van dit fenomeen heeft de capaciteit van harde schijven enorm vergroot. Data-opslag heeft een magnetische basis, verwerking van gegevens is een zaak van halfgeleiderchips. “Wat we graag zouden doen,” vertelt de Delftse fysicus Gerrit Bauer, “is dataopslag en -verwerking integreren in één chip. Maar dat gaat niet, want magnetische materialen en halfgeleiders gaan moeilijk samen. Een andere mogelijkheid om magnetisme op te wekken in halfgeleiders werd twintig jaar geleden al geopperd door Russische theoretici. Die schreven dat het mogelijk moest zijn om halfgeleiders te magnetiseren door er een elektrische stroom doorheen te sturen.” Awschalom en collega’s hebben nu laten zien dat hun Russische collega’s inderdaad gelijk hadden. De Amerikanen zetten twee elektrisch velden op hun proefstrookje halfgeleider. Het ene veld stuwt de elektronen door het strookje. Het andere, hier loodrecht op, buigt de elektronen af. Elektronen die zich door de halfgeleider bewegen, ervaren het loodrechte elektrische veld door hun beweging als een magnetisch veld. Afhankelijk van hun spin ondervinden de elektronen binnen de halfgeleider een kracht naar de linker- of rechterkant. Net als kleine magneetjes in een magnetisch veld een aantrekkende of asfstotende kracht ondervinden. Dat elektronen in een geleider door een extern magnetisch veld afgebogen worden, staat in de natuurkunde bekend als het Halleffect. Het is vernoemd naar de Amerikaanse natuurkundige Edwin Hall, die het effect in 1879 voor het eerst demonstreerde. Vijfendertig jaar geleden voorspelden natuurkundigen dat het magnetisme van de elektronspin ook een Halleffect veroorzaakt. Dit zogenaamde Spin-Halleffect is sinds de voorspelling heftig omstreden en nooit aangetoond. Gerrit Bauer noemt het Amerikaanse experiment, dat het Spin-Halleffect voor de eerste keer aantoont, een doorbraak. Maar praktische toepassingen zijn nog ver weg. Bauer: “Ze kunnen de elektronspin zien met een geavanceerde lasermicroscoop, maar ze hebben ze nog niet gemeten. Ook kunnen ze nog geen elektronen met één bepaalde spinrichting wegleiden om ze in elektronische circuitjes te gebruiken.” Een dergelijke manipulatie is een eerste stap op weg naar het veelbelovende vakgebied van de spintronica. Het waargenomen effect moet nu verder vergroot worden, misschien met andere materialen. Er is veel werk aan de winkel, maar dat is volgens Bauer geen bezwaar: “Ik verwacht dat veel vakgroepen er bovenop zullen springen.” Jos Wassink Y.K. Kato, R.C. Meyers, A.C. Grossard, D.D. Awschalom: “Observation of Spin Hall Effect in Semiconductors”, Science 11 nov 2004 Robert F. Service: “A Positive Spin on Semiconductors”, Science, Vol. 304, 2 apr 2004, p. 42-43 Gerrit E.W. Bauer: “Mesmerizing Semiconductors”, Science, 10 dec 2004