Energiezuinigere apparaten dankzij spintechnologie

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro (links) en Professor Dr. Mathias Weiler. (Bekijk/Voss TUK)

Of het nu gaat om een smartphone, smartwatch of een gewone computer – elektronische apparaten verbruiken veel energie. Nieuwe technologieën die door spinonderzoek mogelijk zijn gemaakt, kunnen helpen het verbruik te verminderen, bijvoorbeeld door ze te integreren in gangbare halfgeleider- en microchips. Aan de TU Kaiserslautern (TUK) houden twee nieuwe, door de Europese Unie (EU) gefinancierde onderzoeksprojecten zich bezig met dit onderwerp. Eén wordt aan de TUK gecoördineerd en door de EU met 3,3 miljoen euro gefinancierd, waarvan 525.000 euro naar Kaiserslautern gaan. Het andere project wordt geleid in België. Hiervoor stelt de EU ongeveer drie miljoen euro beschikbaar, waarvan 310.000 euro bestemd zijn voor werkzaamheden aan de TUK.

Om elektronische apparaten energiezuiniger te maken, werkt het onderzoek eraan om spingolven en hun kwantumdeeltjes, de magnonen, te gebruiken. Deze kunnen meer informatie transporteren dan elektronen en tegelijkertijd aanzienlijk minder energie verbruiken. Spingolven zijn op hun beurt de collectieve excitatie van magnetische momenten in een magnetisch materiaal. Bij de spin gaat het om de intrinsieke draaimomenten van een kwantumdeeltje, bijvoorbeeld een elektron of neutron. Dit vormt de basis van alle magnetische verschijnselen.

In de twee door de EU gefinancierde projecten gaat het erom de inzichten uit de spin- en magnonfysica in de praktijk te brengen. Bij "Magnonics meets micro-electro-mechanical systems: a new paradigm for communication technology and radio-frequency signal processing" (M&MEMS) moet de spintechnologie geschikt worden gemaakt voor bestaande elektronische apparaten.

Het team vertrouwt daarbij op de combinatie van magnonische systemen met micro-mechanische systemen, zogenaamde MEMS-chips. MEMS staat voor "micro-electro-mechanical systems". "Het gaat bijvoorbeeld om microscopische motoren of versnellingssensoren die onder andere in smartphones voorkomen," zegt de projectcoördinator juniorprofessor Philipp Pirro, die aan de TUK onderzoek doet op het gebied van magnetisme. "Magnonische systemen kunnen worden bestuurd via magnetische velden. Deze worden meestal door elektromagneten opgewekt, en daarvoor is tot nu toe stroom nodig." Zijn collega, professor Dr. Mathias Weiler, die aan de TUK onderzoek doet naar toegepaste spinverschijnselen, vult aan: "Dat maakt het momenteel nog inefficiënt."

Hier komen nu deze micro-mechanische systemen in beeld. "Daar willen we kleine permanente magneten positioneren om een magnetisch veld te genereren," vervolgt Weiler. "Als dat eenmaal gedaan is, is er geen verdere energie meer nodig." De veldsterkte van de magneet kan worden geregeld door deze dichter bij het magnonische element te brengen of juist verder weg. Zo zou het energieverbruik zeer gering zijn. "Dat is vooral interessant voor mobiele apparaten," noemt Pirro als voorbeeld.

Het project, dat wordt gecoördineerd door de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK), omvat acht partners uit vijf EU-landen. Onder meer universiteiten zoals de TUM en het Politecnico di Milano, evenals toonaangevende technologiebedrijven op het gebied van hoogfrequentiecommunicatie zoals Nokia en Thales. Aan de TUK worden Pirro en Weiler ondersteund door professor Dr. Burkard Hillebrands, hoofd van de onderzoeksgroep Magnetisme.

In het tweede gefinancierde project "Computation Systems Based on Hybrid Spin-wave–CMOS Integrated Architectures" (SPIDER) gaat het eveneens om magnonische elementen. "We willen een systeem bouwen waarbij de magnoniek wordt gekoppeld aan een standaardcomputer en geïntegreerd in gangbare halfgeleidercomponenten," legt Pirro uit. Het onderzoeksteam richt zich daarbij op zogenaamde Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, kortweg CMOS. Deze komen in alle gangbare computers voor. "Als het ons lukt om magnoniek compatibel te maken met de technieken en chips die al bestaan, dan zou de drempel om magnoniek in de praktijk te brengen lager worden."

Naast de TUK en de Fraunhofer-Gesellschaft zijn nog vier andere Europese partners betrokken bij het project. Het wordt gecoördineerd door het Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) in Leuven, België.

De werkzaamheden voor beide projecten vinden plaats in het nieuwe onderzoeksgebouw LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) op de campus van de TUK, waar onderzoekers uit de fysica, scheikunde en ingenieurswetenschappen samen de spinverschijnselen bestuderen. Recent hebben professor Weiler en juniorprofessor Pirro elk een ERC-beurs ontvangen van de European Research Council (ERC) om eveneens onderzoek te doen op het gebied van spin. De ERC-beurzen behoren tot de meest prestigieuze onderzoeksfinancieringen ter wereld.

De basis voor de projecten is onder andere gelegd door de teams van de twee fysici met werkzaamheden in het door de deelstaat gefinancierde Centrum voor Optiek en Materialenwetenschap, kortweg OPTIMAS, en in de Sonderforschungsbereich "Spin + X", dat wordt gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft.

In het kader van de nieuwe projecten komen er ook wetenschappelijke functies. Geïnteresseerden met de juiste kwalificaties kunnen zich gerust aanmelden.

Vragen beantwoorden:

Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro
Lehrgebiet Magnetismus / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4092
E-mail: ppirro(at)rhrk.uni-kl.de

Professor Dr. Mathias Weiler
Angewandte Spinphänomene / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205 4099
E-mail: weiler(at)physik.uni-kl.de