Spingolven in bits voor het eerst waargenomen

9 juli 2014

Telkens als je op een harde schijf een bit omschrijft, lopen er gedurende enkele picoseconden talloze golven door de bit: spingolven. Hoe deze golven het omklapproces van de gehele bit precies beïnvloeden, is vrijwel onmogelijk te bepalen. Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft zijn erin geslaagd om voor het eerst spingolven waar te nemen in een zelfgemaakte bit van slechts zes atomen. Hierover publiceerden ze in 'Nature Materials' op 6 juli 2014 (Advance Online Publication).

STM afbeelding met daarop twee kunstmatige bits van elk zeven ijzeratomen: één verticaal georiënteerd (midden boven) en één diagonaal (linksonder). (beeld: TU Delft)

Spingolven

Als een magnetisch materiaal in rust is, zijn de magneetveldjes van alle atomen in het materiaal keurig geordend: bijvoorbeeld alle noordpolen dezelfde kant op. Maar wordt de magneet ook maar beetje uit evenwicht gebracht, dan raken deze magneetveldjes (spins) uit het lood en ontstaan er allerlei golfbewegingen. Inzicht in deze spingolven is noodzakelijk om te doorgronden hoe magnetische materialen werken en hoe we ze zouden kunnen verbeteren. Maar dat is niet eenvoudig: spingolven spelen zich af op lengteschalen van enkele atomen, en op tijdschalen van picoseconden.

Atoom voor atoom

De lengteschaal hoeft op zich geen probleem te zijn, mits je de bit zelf maar klein genoeg maakt. Met behulp van een scanning tunneling microscope (STM), waarin een scherpe metalen naald atomen aftast, kunnen de Delftse wetenschappers ijzeratomen één voor één rangschikken in een willekeurige vorm. ‘Door de afstand tussen de atomen te variëren, kunnen we hun onderlinge magnetische interacties nauwkeurig afstemmen’, vertelt onderzoeksleider Sander Otte. ‘Zo ontwerpen we een bit waarvan we als geen ander weten hoe hij in elkaar zit. Het vergt wat geduld, maar liggen de (zes) atomen eenmaal op hun plek, dan kunnen we ze soms wekenlang in alle rust bestuderen.’ Dit laatste is mogelijk omdat de experimenten plaatsvinden bij een temperatuur van minder dan 1 Kelvin.

Omklappen

Een lastiger probleem is de tijdschaal. ‘Het omklappen van de bit kunnen we op zich prima detecteren, alleen gaat het zó snel dat het er zelfs met de snelste elektronica uitziet als een instantaan proces. Om de golven toch in beeld te krijgen, moeten we gebruik maken van circumstantial evidence, indirect bewijs. Door op verschillende atomen in de bit een elektrische stroom te injecteren, kunnen we vaststellen op welke plek en bij welke energie de omklapfrequentie het sterkst toeneemt. Het resultaat is een prachtig golfpatroon’, legt Otte uit.

Quantummagneet

Dit onderzoek is niet alleen van technologisch belang. Door magnetische interacties op atomaire schaal te doorgronden, hoopt Otte in de komende jaren minuscule magneten te bouwen waar de spins, als gevolg van quantum-onzekerheid, in rust juist níet goed geordend zijn. Dit soort quantum-magneten bestaat vooralsnog hoofdzakelijk op papier.

Het onderzoek werd mede gefinancierd door NWO en en Stichting FOM.

Meer informatie


Bron: TU Delft