Spintroniek wordt chiraal

Schone kamer van het Fraunhofer IPMS met 300 mm-installaties voor onderzoek en ontwikkeling. © Fraunhofer IPMS / 300 mm cleanroom bij Fraunhofer IPMS © Fraunhofer IPMS

Apparaten voor de productie van dunne lagen bij het MPI CPfS. © MPI CPfS / Fabrication tools for thin films at the MPI CPfS © MPI CPfS

Spintronische componenten zijn gebaseerd op het gebruik van het fundamentele elektronenspins voor de overdracht en opslag van informatie. Het gebruik ervan zou geen ladingsstromen vereisen voor hun werking en leiden tot een verbeterde energie-efficiëntie met minder stroomverbruik, hogere gegevensverwerkingssnelheid en een betere integratie van geheugen en logica. Er zijn echter geschikte materialen nodig voor nieuwe spintronische implementaties. Het vervaardigen en analyseren hiervan vereist geavanceerde nanotechnologische methoden. Daarom zijn onderzoekers van het Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe en het Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS een gezamenlijk project gestart om nieuwe materialen voor spintroniek te onderzoeken. Het project wordt gefinancierd door de Sächsische Aufbaubank.

Informatieverwerking- en dataverwerkingstechnologieën, bijvoorbeeld voor computerspeicher of harde schijven in datacenters, maken vandaag de dag gebruik van ladingsstromen, die van nature gepaard gaan met verliezen en een hoog energieverbruik. Een alternatief concept wordt geboden door de moderne CMOS-technologie, die het magnetische moment van elk elektron benut, een kwantumeigenschap die 'spin' wordt genoemd. Dit maakt een hogere datasnelheid mogelijk en een betere integratie van geheugen en logica bij een algeheel lager stroomverbruik. Om deze doelen te bereiken, moeten vooral nieuwe materialen met de gewenste eigenschappen worden gevonden die een hoge efficiëntie van de spinstromen mogelijk maken. Hier richt het project 'Topologische Spintroniek: CMOS-compatibele materialen uit de B20-familie' van het Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe en het Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS zich op.

Chirale kristallen vormen een veelbelovende materiaalklasse, waarvan de toepassingsmogelijkheden in de op spins gebaseerde elektronica nog grotendeels onontdekt zijn. In chirale materialen kunnen de atomen waaruit de kristallen bestaan, in twee ongelijke ordeningen voorkomen die eruitzien als elkaars spiegelbeeld. Dit is vergelijkbaar met onze rechter- en linkerhand, die niet over elkaar kunnen worden gelegd wanneer beide handpalmen naar beneden wijzen – en wordt chiraliteit genoemd. Het project heeft tot doel de kloof te overbruggen tussen het begrip van de relatie tussen chiraliteit en spinstromen en de beoordeling van het potentieel van chirale materialen voor elektronische toepassingen.

Het Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe en het Fraunhofer IPMS hebben de handen ineengeslagen om de eigenschappen van niet-magnetische chirale materialen te onderzoeken en verder te gaan dan wat tot nu toe bekend is. De financiering door de Sächsische Aufbaubank voor het project 'Topologische Spintroniek: CMOS-compatibele materialen uit de B20-familie' stelt de Dresdense instituten in staat te investeren in nieuwe apparaten voor hun moderne onderzoek en ontwikkeling. De partners zullen de uitstekende faciliteiten voor materiaalgroei gebruiken om nieuwe chirale materialen met hoge ladings- en spinconversie te onderzoeken. De materialen worden geïntegreerd in de productie van hoogwaardige magnetische componenten voor toekomstige spintronische toepassingen.

De groep van Prof. Claudia Felser aan het Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden is internationaal bekend om haar onderzoek naar nieuwe topologische kwantummaterialen. "Spin en lading van elektronen in chirale kristallen openen een nieuwe weg voor nieuwe hogesnelheidselektronica, maar het is een lange weg van materiaal tot component," zegt Prof. Claudia Felser, directeur aan het Max-Planck-Institut in Dresden. "En met onze collega’s van het Fraunhofer IPMS hebben we de mogelijkheid om een versnelling te maken." "Dit project combineert onze expertise op het gebied van topologie, het groeien van hoogwaardige epitaxiale dunne lagen en onze ervaring in spintroniek en stelt ons in staat om nieuwe Spin-Hall-materialen uit de B20-familie met hoge efficiëntie te ontdekken," zegt Dr. Anastasios Markou, groepsleider in Felser’s groep.

"Deze samenwerking brengt ons naar een hoger niveau. Met onze collega’s van het Max-Planck-Institut kunnen we werken met materialen die nog niet beschikbaar zijn in de CMOS-wereld," voegt Dr. Maik Wagner-Reetz toe, die verantwoordelijk is voor de spintroniek-activiteiten bij het Fh IPMS. Het Center Nanoelectronic Technologies van het Fraunhofer IPMS ontwikkelt oplossingen voor processen en componenten op 300 mm-wafers voor de overdracht van resultaten uit fundamenteel onderzoek naar industriële toepassingen. Belangrijke kerncompetenties zijn de integratie van nieuwe materialen en de productie van 300 mm CMOS-compatibele componenten.

Referenties

[1] P. Narang, C. A. C. Garcia, C. Felser, Nat. Mater. 20, 293 (2021).
[2] N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, en C. Felser, Chem. Rev. 121, 2780 (2021).
[3] N. B. M. Schröter, [...], & C. Felser, Science 369, 179 (2020).
[4] M. Yao, [...], & C. Felser, Nat. Commun. 11, 2033 (2020).