Spintroniek plus Quantum: PSI-onderzoeker ontvangt belangrijke financiering

Giacomo Sala is experimenteel natuurkundige aan het Centrum voor neutronen- en muononderzoek van het PSI. Voor zijn project Q-GEOMSPIN ontvangt hij financiële steun van de EU: een Starting Grant van de Europese Raad voor Onderzoek (ERC). © Paul Scherrer Instituut PSI/Markus Fischer

– De PSI-physicus Giacomo Sala ontvangt ongeveer 2,2 miljoen CHF van het European Research Council (ERC).
– In het project Q-GEOMSPIN brengt hij twee onderzoeksgebieden samen die tot nu toe grotendeels apart werden bestudeerd.
– Uit dit fundamentele onderzoek kunnen in de toekomst energie-efficiëntere gegevensopslag en processoren ontstaan.

De PSI-physicus Giacomo Sala heeft een van de begeerde subsidies van de Europese Onderzoeksraad ERC toegekend gekregen – een zogenaamde Starting Grant. De ERC ondersteunt Salas project Q-GEOMSPIN met 2,3 miljoen euro (ongeveer 2,2 miljoen CHF) over de komende vijf jaar. Omdat Zwitserland sinds eind 2025 weer volledig is geassocieerd met de onderzoeksfinancieringsprogramma’s van de Europese Unie, ontvangt Sala deze financiering rechtstreeks van de ERC.

Het bijzondere aan Salas initiatief is de combinatie van twee onderzoeksgebieden – spintronica en kwantigeometrie – tot een nieuw onderzoeksveld. De inzichten hieruit zouden op lange termijn nieuwe mogelijkheden voor spintronische gegevensopslag kunnen openen. Daarnaast kunnen ze helpen bij het winnen van kleine hoeveelheden energie en het ontwikkelen van nieuwe materiaaleigenschappen.

Het idee voor Q-GEOMSPIN ontstond tijdens twee stations in Salas tot nu toe wetenschappelijke loopbaan. Tijdens zijn promotie aan de ETH Zürich onderzocht hij spintronica en magnetisme. Later, als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Genève, wendde hij zich tot de kwantigeometrie. De combinatie van beide perspectieven bracht hem op de vraag of de kwantigeometrie tot nu toe over het hoofd geziene spintronische effecten oplevert. «Voor zover ik weet, heeft nog niemand experimenteel deze twee velden gekoppeld», zegt de experimenteel fysicus van het Centrum voor neutronen- en muononderzoek van de PSI.

Een wit vlekje op de spintronica-kaart

Spintronica is een sinds dertig jaar gevestigde wetenschappelijke discipline. De betekenis ervan werd onderstreept door een Nobelprijs voor de natuurkunde, die in 2007 werd toegekend voor haar onderzoek. Spintronica maakt gebruik van de spin – de intrinsieke rotatie – van elektronen om informatie op te slaan.

In de afgelopen jaren is echter gebleken dat spintronica zo ongeveer nog een wit vlekje op haar kaart heeft: werken in de theoretische fysica wijzen erop dat bepaalde spintronische fenomenen voorspeld, begrepen en gecontroleerd kunnen worden met de jonge kwantigeometrie. Het gaat specifiek om een deelgebied van de kwantigeometrie: de kwantummetriek.

Om het idee van de kwantummetriek te illustreren, gebruikt Sala een analogie: de zwaartekracht. De zwaartekracht zorgt ervoor dat de aarde om de zon draait. Volgens Albert Einstein is de juiste verklaring daarvoor echter een kromming van de ruimte, veroorzaakt door de massa van de zon. «Zo is het ook voor elektronen wanneer ze zich door een vaste stof bewegen», zegt Sala. Door de kwantummetriek kromt de impulsruimte. Dit «voelen» de elektronen en worden ze dienovereenkomstig afgebogen.

Giacomo Sala kan door de nu toegekende financiering twee promovendi en een persoon op postdoctoraal niveau aannemen. Samen met dit kleine team zal hij binnen het kader van Q-GEOMSPIN onder andere topologische materialen onderzoeken. Dit zijn vaste stoffen die in het binnenste isolatoren zijn, maar aan het oppervlak elektrische stroom geleiden. Ook op het programma staan oxiden en twee-dimensionale zogenaamde Van-der-Waals-materialen zoals grafiet.

Van elektronica naar kwantigeometrie

Elektronica gebruikt alleen de lading van elektronen: stroom stroomt of niet – hieruit ontstaan de nullen en enen in digitale gegevensverwerking. Er wordt dus gebruik gemaakt van de beweging van de lading.

Spintronica voegt een tweede eigenschap toe: de spin, de kwantummechanische intrinsieke draaimoment. Eenvoudig gezegd: een oriëntatie van elektronen omhoog of omlaag. Deze eigenschap kan worden gebruikt voor informatieoverdracht.

Kwantigeometrie beschrijft de geometrische structuur van de elektronen-wavefuncties in vaste stoffen. Een deel ervan, de kwantummetriek, werkt als een ingebouwde zwaartekracht in het materiaal en buigt de elektronen af. Het nieuwe aan de kwantummetriek is dat deze geometrie zelf een regelaar wordt en gekoppeld kan worden aan de spin.

Synchrotronlicht en nanotechnologie: Het PSI biedt de benodigde infrastructuur

Sala en zijn team zullen structuren produceren en meten die slechts enkele micrometers klein zijn. Deze worden nabij het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius) afgekoeld. Hiervoor bouwt het PSI met de ERC-middelen een speciale cryostaat: een koelsysteem dat ook sterke magnetische velden kan genereren. Hierin wordt een elektrische stroom door het monster gestuurd en wordt de afbuiging van de elektronen gemeten. De onderzoekers zoeken gericht naar niet-lineaire effecten, dat wil zeggen dat kleine variaties in spanning of magnetisch veld tot grote veranderingen in de meting kunnen leiden. In deze afwijkingen verwachten ze aanwijzingen voor de kwantummetriek.

Dat Sala voor zijn project naar het PSI is gekomen, heeft te maken met de strategische onderzoeksrichting en de unieke infrastructuur. Aan het nieuwe «Quantum Matter and Materials Center» (QMMC) bij het PSI komen de werkzaamheden van verschillende PSI-onderzoeksgroepen op het gebied van kwantummaterie en -materialen samen. Q-GEOMSPIN past uitstekend in dit nieuwe knooppunt van kwantumonderzoek.

Zo biedt het PSI alle faciliteiten die Sala en zijn team nodig zullen hebben om materialen te produceren en te karakteriseren, microcomponenten te vervaardigen en bij lage temperaturen metingen uit te voeren. Onder andere zal het team gebruik maken van de Synchrotron Lichtbron Zwitserland SLS en de nieuwe PSI-cleanroom «PICO», beheerd door de onderzoeksgroep voor nanotechnologie, die uitstekend geschikt is voor de fabricage van de kleine componenten. Ook de Zwitserse Spallation Neutron Source SINQ van het PSI zou interessante mogelijkheden voor hun onderzoek kunnen bieden.

Q-GEOMSPIN zou de spintronica eindelijk een grote doorbraak kunnen geven. Met uitzondering van de giant magnetoresistance, die in de jaren 80 werd ontdekt en snel daarna de opslagcapaciteit van computerharddisks heeft verdrievoudigd, zijn commerciële toepassingen tot nu toe zeldzaam. Op de wensenlijst staan nu krachtigere spintronische geheugen (MRAM) of computerprocessors die werken volgens het model van het brein. Ook exotische ideeën zoals het verzamelen van energie uit ongebruikte WLAN-radiogolven worden besproken. Giacomo Sala blijft realistisch: «Q-GEOMSPIN is puur fundamenteel onderzoek. Maar dat is belangrijk om er toepassingen uit te ontwikkelen.»