Spintronica, een tak van de technologie die de spin van elektronen benut om informatie te verwerken en op te slaan, heeft de afgelopen decennia indrukwekkende vooruitgangen geboekt. Het gebruik van de Giant Magnetoresistance (GMR) techniek in magnetische koppen voor harde schijven heeft geleid tot een verhoogde opslagcapaciteit en efficiëntie. Dankzij de hoge gevoeligheid van GMR voor magnetische velden, kunnen harde schijven nu opslagcapaciteiten realiseren van meer dan 4 terabyte in desktops en meer dan 1 terabyte in laptops, met een afmeting van slechts 30-50 nanometer voor elke GMR-magnetische kop.

Spintronica kan grofweg worden onderverdeeld in drie hoofdgebieden: magneto-elektronica, halfgeleider spintronica en quantum spintronica. Het eerste gebied richt zich voornamelijk op magnetische materialen, terwijl de andere twee zich richten op het gebruik van halfgeleiders en de controle van de kwantumtoestand van individuele elektronen. Een van de baanbrekende ontdekkingen binnen dit veld was de ontdekking van tunneling magnetoresistance (TMR) in 1995, wat leidde tot de ontwikkeling van nieuwe magnetoresistieve geheugensystemen (MRAM). Dit geheugen biedt voordelen zoals geen gegevensverlies bij stroomuitval, een lees-/schrijfsnelheid vergelijkbaar met statisch willekeurig geheugen (SRAM), en een geheugenruimte die vergelijkbaar is met dynamisch willekeurig geheugen (DRAM).

De tweede categorie, halfgeleider spintronica, richt zich op het creëren van onbalans in het aantal spins om zogenaamde spintransistors en spinkleppen te ontwikkelen die traditionele elektronische apparaten kunnen vervangen. Deze nieuwe apparaten onderscheiden zich door lage energieconsumptie en snelle schakel snelheden. Bovendien kan gebruik worden gemaakt van reeds bestaande halfgeleidertechnologieën om de ontwikkelingskosten te verlagen, wat spintronica tot een veelbelovende technologie maakt.

Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om spinstroom te genereren. Ohmse injectie, tunnelinjectie en ballistische injectie zijn enkele van de meest prominente technieken. Ohmse injectie maakt gebruik van een ferromagnetisch materiaal (FM) als elektrode om spin-gepolariseerde elektronen in een halfgeleider te injecteren. Hoewel deze methode effectief is, kan het resulteren in verstrooiing van spinflip, wat de spinpolarisatie vermindert. Tunnelinjectie, waarbij spin-gepolariseerde elektronen via een tunnelingbarrière in de halfgeleider worden geïntroduceerd, blijkt effectiever te zijn dan diffuuse transportmethoden. Ballistische injectie maakt gebruik van het verschil in energie tussen de spinbanen van ferromagnetische materialen en halfgeleiders, waarbij spinpolarisatie tot 40% kan worden gerealiseerd.

Er bestaat ook een optische methode, die niet alleen spinstroom genereert, maar ook de spinpolarisatie van carriers kan detecteren. Dit proces wordt vaak gebruikt in Gallium-Arsenide (GaAs) quantum wells, waarbij licht met een specifieke polarisatie (σ+) de spin van elektronen in een halfgeleider kan beïnvloeden en een dominante spinpolarisatie kan veroorzaken. Deze optische techniek biedt niet alleen een manier om spinstroom te genereren, maar heeft ook belangrijke toepassingen voor het detecteren van spinpolarisatie.

De ambitie om spintronica verder te ontwikkelen heeft geleid tot de introductie van verschillende halfgeleider spintronica-apparaten, zoals de spin field-effect transistor (SFET), die in 1989 werd voorgesteld door Datta en Das. Deze transistor heeft sindsdien veel belangstelling gegenereerd, hoewel het nog steeds moeilijk is om deze technologie op grote schaal te realiseren. Naast de SFET zijn er andere veelbelovende apparaten, zoals de grafeen-spin-FET en de metaal-oxide-silicium spin-FET, die de energiebesparingen en hoge schakelsnelheden van spintronica verder benutten.

De derde categorie van spintronica is gericht op het controleren van de spin van een enkel elektron of een paar elektronen om kwantumcomputing en kwantumcommunicatie te realiseren. Dit is een relatief nieuw en veelbelovend gebied van onderzoek, waarbij de spin van elektronen wordt gebruikt om qubits te creëren. Deze benadering heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere kwantumcomputingmethoden, zoals ijzeren vallen en caviteit-kwantumelektrodynamica, omdat qubits direct in vaste materialen kunnen worden geplaatst, wat het proces robuuster en schaalbaarder maakt.

Er is echter een uitdaging in het controleren van de spin van elektronen op een nauwkeurige manier, wat de ontwikkeling van spintronica-apparaten voor kwantumtoepassingen vertraagt. Ondanks de vooruitgang in de spinveld-effect transistoren en andere apparaten, is het duidelijk dat spintronica nog in een relatief vroeg stadium verkeert, en er is nog veel werk te doen voordat deze technologieën volledig worden benut.

In deze context blijft de Rashba-spin-orbit interactie een belangrijk onderwerp van onderzoek. Het idee van het spintransistor, voorgesteld door Datta en Das in 1989, is een van de basisprincipes van moderne spintronica en heeft geleid tot veel van de huidige inspanningen in het veld. Dit concept is vergelijkbaar met een elektro-optische modulator, maar in plaats van licht te moduleren, wordt de spin van elektronen gecontroleerd door een extern elektrisch veld. Het begrijpen van de dynamiek van spinpolarisatie in verschillende materialen en het ontwikkelen van efficiënte manieren om deze spin te manipuleren, is de sleutel tot het succes van spintronica.

Naast de technologische uitdagingen is het belangrijk te begrijpen dat spintronica niet alleen betrekking heeft op de vervangingen van traditionele elektronische apparaten, maar ook de basis kan leggen voor nieuwe paradigma's in zowel klassieke als kwantumcomputing. De integratie van spintronica in toekomstige elektronische systemen zal waarschijnlijk de prestaties, energie-efficiëntie en functionaliteit van elektronische apparaten aanzienlijk verbeteren.

Hoe werkt een Spin-Polaire Interferentieapparaat in een Quantum Golflengte Circuit?

In de wereld van de kwantummechanica is het begrip van de Rashba-effecten essentieel voor het ontwerpen van geavanceerde elektronische apparaten die gebruikmaken van spin-polaire eigenschappen. In dit hoofdstuk onderzoeken we een spin-polaire interferentieapparaat in een kwantumgolfgeleider. Dit apparaat maakt gebruik van een structuur die bestaat uit verschillende vertakkingen en poorten, die een controlemechanisme bieden voor de spin-polaire eigenschappen van elektronen.

De opbouw van de structuur kan eenvoudig worden begrepen door naar de golffuncties van de elektronen te kijken die door de verschillende circuits stromen. De golffuncties van de elektronen kunnen worden uitgedrukt als een lineaire combinatie van invloeden van verschillende gebieden binnen de structuur. Voor circuit 1, bijvoorbeeld, kan de golffunctie worden geschreven als een combinatie van invloeden vanuit twee mogelijke configuraties, zoals:

ψ1=a10ϕ1(0)eik1l1+a20ϕ2(0)eik2l1+a1ϕ1(π)e−ik1l1+a2ϕ2(π)e−ik2l1\psi_1 = a_{10} \phi_1(0) e^{ik_1 l_1} + a_{20} \phi_2(0) e^{ik_2 l_1} + a_1 \phi_1(\pi) e^{ -ik_1 l_1} + a_2 \phi_2(\pi) e^{ -ik_2 l_1}

Voor circuit 2, waar het tweede segment van de structuur zich bevindt, verandert de golffunctie om de invloed van de poort, die door een gate-voltage wordt gecontroleerd, weer te geven:

ψ2=c1ϕ1(π/2)eik1l2+c2ϕ2(π/2)e−ik2l2sin⁡[k0(l2−L2)]\psi_2 = c_1 \phi_1(\pi/2) e^{ik_1 l_2} + c_2 \phi_2(\pi/2) e^{ -ik_2 l_2} \sin[k_0(l_2 - L_2)]

De resultaten van de berekeningen laten zien dat de waarden van de transmissie- en reflectiecoëfficiënten niet direct afhankelijk zijn van de lengte van de poort L2L_2. Dit betekent dat we L2L_2 in de verdere discussie kunnen verwaarlozen. De transmissiekans T21T_{21} blijft gelijk aan de situatie zonder poort, wat leidt tot een gedetailleerde analyse van de reflectiekansen in termen van de Rashba-coëfficiënt α\alpha.

Een interessante eigenschap van de opbouw van dit apparaat is de afhankelijkheid van de transmissiekansen van de Rashba-coëfficiënt. Wanneer de Rashba-coëfficiënt een specifiek kritieke waarde bereikt, kan de transmissiekans geheel verdwijnen (bijvoorbeeld wanneer k2δL1=nπk_2 \delta L_1 = n\pi), wat betekent dat alle elektronen worden gereflecteerd. Dit fenomeen weerspiegelt de potentie van de structuur als een spin-polaire diode.

Het is belangrijk om te benadrukken dat wanneer het ferromagnetische contact in circuit 2 in de spin-down richting is gemagnetiseerd, de reflectie- en transmissie-eigenschappen worden omgekeerd. Dit biedt de mogelijkheid om de structuur te gebruiken als een spin-polaire modulator, die kan schakelen tussen verschillende spin-toestanden.

In een ander scenario, waarin een poort wordt geïntroduceerd zoals weergegeven in figuur 12.1c, speelt de lengte van de poort L2L_2 een cruciale rol in het beïnvloeden van de transmissiekansen van de elektronen. In dit geval, wanneer de gate-spanning wordt aangepast, verandert de interferentie van de elektronen met verschillende spin-oriëntaties. De transmissiekansen T31T_{31} en T32T_{32} vertonen oscillaties afhankelijk van de waarde van de Rashba-coëfficiënt α\alpha, en hun amplitudes zijn sterk gerelateerd aan de interferentie-effecten die door de gate worden veroorzaakt.

De grafieken die de transmissie- en reflectiekansen tonen als functies van α\alpha voor verschillende lengtes van de poort L2L_2, tonen een duidelijk verband tussen de poortlengte en de elektrische eigenschappen van het apparaat. Wanneer de poortlengte wordt gewijzigd, veranderen de amplitudes van de transmissiekansen, wat laat zien hoe de interferentie van elektronen in de verschillende spin-toestanden kan worden gemoduleerd.

Als de structuur meer vertakkingen heeft, kan de algemene theorie worden uitgebreid om te omvatten dat verschillende circuits kunnen worden voorzien van poorten of ferromagnetische contacten. Dit leidt tot een situatie waarbij verschillende transmissiecoëfficiënten kunnen worden berekend voor elke vertakking, afhankelijk van het type contact en de poortinstellingen. De reflectiecoëfficiënten en transmissiekansen kunnen nu systematisch worden berekend voor verschillende delen van de structuur, waarbij de spin-polaire interferentie de werking van de gehele opstelling beïnvloedt.

De belangrijkste conclusie uit deze theorie is dat de spin-polaire interferentie een cruciale rol speelt in de werking van dergelijke structuren. Door de configuratie van de poorten, de lengte van de circuits en de magnetische eigenschappen van de contacten kunnen de transmissie- en reflectiekansen dynamisch worden aangepast. Dit opent de deur naar de ontwikkeling van geavanceerde elektronische apparaten die niet alleen op basis van de elektrische eigenschappen, maar ook op basis van de spin-polaire eigenschappen van de elektronen werken. Deze apparaten kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden voor spintronica, waar de manipulatie van spin in plaats van lading de kern van de technologie vormt.

Wat kunnen we leren van de massa-extinctie van de dinosauriërs?
Hoe beïnvloeden elektrische velden de elektronenbeweging in halfgeleiders?
Hoe kan informatie worden begrepen als een hiërarchisch fenomeen?
Hoe de Sedition Act van 1798 de Vrijheid van de Pers Bedreigde
Hoe Fick's Eerste en Tweede Wet Diffusie Beschrijven