Nanodraden blijken goede spintronics-componenten

Nanodraden blijken unieke eigenschappen te bezitten die spintronics, het rekenen met elektronenspin in plaats van elektrische ladingen, een stuk eenvoudiger kunnen maken. Dat concluderen Deense en Japanse onderzoekers.

Normaal is de spin van elektronen willekeurig verdeeld. Het magnetisch veld dat met de elektronen is geassocieerd kan, mits te controleren, de basis vormen voor een toekomstige vorm van rekenen, waarbij niet elektrische ladingen, maar de spin wordt gebruikt om informatie over te brengen. Onderzoekers hebben in het verleden al pogingen gedaan om spin te controleren, maar de methode die door onderzoekers van het Deense Niels Bohr-instituut en Japanse onderzoeksinstituten van NTT en het Institute of Technology van Tokio werd ontwikkeld, geeft de wetenschappers eenvoudige controle over de spin.

De natuurkundigen, onder leiding van de Denen Jespersen en Grove-Rasmussen, lieten elektronen in cirkels bewegen over een koolstof nanobuis die als quantum dot dienstdeed. De spin van de elektronen bleek hierbij gelijkgericht te worden, evenwijdig aan de nanobuis. Hoewel dit fenomeen al eerder voorspeld was, luidde de theorie dat het alleen optreedt in perfecte nanobuizen in een vacuüm. De onderzoekers konden het verschijnsel echter reproduceren in normale nanobuizen, compleet met defecten, wat de inzetbaarheid in spintronics vergroot.

De wetenschappers konden de spin van elektronen nauwkeurig beïnvloeden door de beweging van elektronen in de nanobuis te reguleren. Zij maakten gebruik van zeer lage stroom, zodat ze de hoeveelheid elektronen konden manipuleren. Bij een grensstroom hield het effect op en was de spin niet meer gebonden aan de beweging van de elektronen. Het onderzoek zou de basis kunnen leggen voor een researchplatform naar spintronics en op termijn ingezet kunnen worden voor spintronics en quantumcomputing.

Reacties (39)

[Gammort]

Wauw, ik moet zeggen dat dit mijn pet te boven gaat. Ik zal even wat termen moeten opzoeken op wikipedia.

Kan dit nou ingezet worden voor het ontwikkelen van snellere processoren? Of wat willen ze er nou mee bereiken. De laatste zin zou waarschijnlijk duidelijkheid moeten scheppen maar ik vat 'm nog niet helemaal.

[Shapeshifter]

In principe kun je met spintronica ook transistors bouwen, maar dit is ingewikkeld omdat je een spin gepolariseerde stroom door een halfgeleider probeert te sturen. Helaas is er een impedantieverschil en kan de spinstaat vervallen over de lengte van de halfgeleider. Hier zijn wel oplossingen voor, zoals tunnelbruggen, waardoor je een gepolariseerde spinstroom kunt overbrengen in een halfgeleider zonder de impedantieproblemen, maar daarme heb je nog steeds het spinverval.

Dus, we werken eraan, maar het is ingewikkeld (helemaal als je organische electronica wil maken)...

[Crackh34d]

Bedoel je in dit geval met impedantieproblemen de Schottky barrier? Dus overgang metaal-halfgeleider of iets anders?

[Shapeshifter]

Om precies te zijn is er een geleidingsdiscontinuiteit die veroorzaakt wordt door een verschil in geleiding in de ferromagneet (waarin de geleiding afhangt van de spinpolarisatie) en de geleiding in de halfgeleider (waarin de geleiding niet afhangt van de spinpolarisatie). Wanneer je nu de ferromagneet in direct contact brengt met de halfgeleider krijg je wel een stroom, maar deze is niet spin gepolariseerd. Dit heeft dus niet te maken met de Schottky barrier.

Dit is trouwens puur theoretisch, er is nog geen enkel prototype van het apparaat dat ik beschrijf.

[Verwijderd]

De Spintronica transistor, Is dat niet waar elke onderzoeker van droomt? Zover ik het begrijp Is dit al voor meer dan 20 jaar de uitdaging? Tot hiertoe kan men enkel data vestleggen met deze spintronics technologie. (SSD, MRAM)

Kan ik dan concluderen dat men in staat is een minieme EMS straling te gebruiken om een lading te polariseren, maar nog niet om het transistoreffect te verkrijgen?

Ze spreken van een 'zeer lage stroom', betekend dat dan dat de verliezen over een halfgeleider zo klein zijn kunnen maken dat de rekenkracht/watt heel hard stijgt?

[Verwijderd]

chips worden hedendag geproduceerd aan de hand van lithografie (met lasers),
de beperkende factor daarin is de golflengte van de laser, des te kleiner de golf des te dunner het spoor, het tweede probleem is dat ondertussen de spoorbreedtes/kanaaltjes waarde electronen doorheen gaan bijna net zo groot zijn als de electronen zelf. Kortom, de huidige techniek is eindig. Er komt een moment dat ze niet kleiner kunnen, omdat dan simpelweg de electronen er niet meer doorheen kunnen. Ook gaan er allerlei quantum mechanische regels de betrouwbaarheid ondermijnen.
De huidige spoorbreedtes zitten op 32nm, er word gesproken tot 11nm voor zover ik kan vinden, een electron heeft een afmeting van ongeveer 0,5 nm (als ik me niet vergis).

De techniek in het artikel is een puur mechanisch verhaal, enkel meten ze straks de spin (draairichting van het atoom), goede spin=1, niet de goede spin=0.

Ben wel benieuwd of ze voor een x86 achtige implementatie gaan of dat die archictectuur ook compleet overboord gegooid wordt...

[Shapeshifter]

Dit is niet helemaal waar, zelfs de klassieke electronstraal is maar iets van 2,8 femtometer, bovendien geldt voor het electron natuurlijk de golf-deeltje dualiteit. Kwantumtunneling is echter wel een probleem, er bestaat een groter wordende kans dat je electron zich opeens in een ander kanaal bevindt waar het klassiek gezien niet zou mogen zijn als je de kanalen kleiner maakt.

Een van de grote problemen is voornamelijk hitteproductie (moderne processoren gaan qua W/cm^2 al richting waarden die gelden voor het oppervlak van de zon). Daarom zijn multicore processoren geintroduceerd (zo houd je dezelfde rekencapaciteit, maar de warmte wordt verdeeld).

Verder willen we tegen 2015 op 11 nm gaan produceren. Als je er eens goed over nadenkt is dat best wel bijzonder. Stel je ziet de omtrek van de aarde als een meter, dan is 11 nanometer nog steeds maar 7 centimeter! Dat is de schaal waarop we werken. Maar je hebt gelijk, er is een fysische limiet.

Zoals ik eerder al besprak wordt niet zozeer de spin zelf gemeten, maar vaak de elektrische weerstand (door gebruik te maken van GMR of TMR) of zelfs het hoekmoment (door spin transfer torque).

[Verwijderd]

klopt idd niet helemaal, het is meer een buitengrens kwa maat.

Ik snapte het stukje wat je zei over GMR/TMR, dat is dan weer een methode om het effect te kunnen gebruiken zou ik denken.goede spin=goed meetwaarde=1 iedere andere meetwaardewaarde=0... zolang er maar 1 en 0 te produceren en uit te lezen is.

de quantum mechanische effecten (onzekerheidsprincipe) zijn inderdaad de grootste boosdoener, maar is meteen ook het meest lastig om even snel uit te leggen...

11nm vind ik ook ZEER indrukwekkend overigens, bizar klein.

[Bafti]

maar voor zover ik begrepen heb is spin een analoge waarde. dus als ze de werking van die kwantumeffecten begrijpen (zal vast wel ooit gebeuren al duurt het mss nog vele jaren) en deze goed kunnen manipuleren ben je niet meer beperkt tot bits die bestaan uit een 1 of een 0. je hebt dan een analoge bit gecreerd waardoor de totale opslagcapaciteit nog verder zal stijgen aangezien deze dan afhankelijk is van het verschil in spin dat je kan meten.

dus stel dat je 1/4 spin kan meten dan kan je op 1 byte (8bits) 5⁸=390 625 verschillende waarden kwijt, ipv 2^8=256

Hiervoor moet dus nog wel veel onderzoek gedaan worden.

verder vraag ik me bij dit soort artikelen altijd af hoe stabiel dit is. als je een dergelijk opslagmedium laat vallen, ben je dan alle data kwijt? of is het hier prima tegen bestand. electronen wegen natuurlijk vrijwel niets. maar spin is ook een heel instabiel fenomeen. vandaar dat het ook lastig is om er controle over te krijgen.

Graag feedback want ik ben vrij nieuw op dit gebied, maar wel eindeloos nieuwsgierig.

[Shapeshifter]

Wat je schetst is vrees ik (helaas) niet realistisch. Het is fundamenteel onmogelijk om 1/4 spin te meten op een electron. Op kleine schaal is de natuur gekwantiseerd (vandaar de naam kwantummechanica) en niet continu (zoals we dat ervaren op grote schaal). Er zijn dus discrete waarden voor de orbitalen waarin de elektronen verblijven en ook in welke spintoestand ze zich bevinden. Als we de spin van een electron bepalen kunnen we alleen maar +1/2 of -1/2 krijgen (dit is typisch voor fermionen).

Er is echter meer aan de hand. Zolang we niet meten kan het electron zich ook in een superpositie bevinden van deze twee spintoestanden. Dus wanneer we een systeem nemen van n qubits (quantum bits) kan deze zich simultaan in 2^n verschillende toestanden bevinden, in plaats van een systeem met "normale" bits dat zich maar in 1 van de 2^n verschillende toestanden kan bevinden. We kunnen dit systeem nu beschrijven met 2^n getallen (waarbij elk getal de kwadraat van de coefficient is) die de kans op elke toestand voorstellen (met als voorwaarde dat het totaal 1 is natuurlijk). Een "berekening" bestaat nu uit een meting die slim gebruik maakt van kwantuminterferentie, echter, zodra je meet valt het kwantumsysteem terug in 1 toestand (dit heet het instorten van de golffunctie).

Dit is echter nog niet alles. Zodra je een meting verricht op het systeem zal de golffunctie dus instorten in 1 bepaalde toestand en zal een bepaalde tijd in deze toestand blijven. Wanneer je dus snel metingen achter elkaar verricht op het systeem zul je dus steeds dezelfde waarde vinden.

@mikeulow_nl, met we bedoelde ik eigenlijk wij wetenschappers (hoewel ik officieel nog wetenschapper in opleiding ben ) Ik twijfel nog of ik de nano-optica of nano-electronica kant op wil, zoals je kunt lezen vind ik ze beiden interessant.

[Verwijderd]

@shapeshifter: je zegt WE, ik begrijp hieruit dat je bij een soortgelijk project betrokken bent? Iig in de halfgeleider industrie? Wel bedankt voor uitleg, erg intressant leesvoer voor de komende dagen

Voor degene die willen weten wat er bedoelt word met golf-deeltje dualiteit: youtube en zoek op double slit experiment, dit experiment is een van de belangrijkste experimenten binnen de quantum mechanica. Klein beetje kennis van schei- en natuurkunde kan wel handig zijn

Het experiment bewijst dat in dit geval een electron een vast deeltje kan zijn OF een golf,
en dat dit lijkt af te hangen van het feit of het deeltje wel of niet word waargenomen.
Quantum mechanica is een zeer vreemde, voor mensen soms compleet onlogische wetenschap, met allerlei bizare eigenschappen.... daarom des te meer een enorme prestatie dat hier toch een werkbare techniek uit lijkt te komen.

*respect*

[RvanderV]

Het is niet zo dat het een deeltje of een golf is, het is in feite allebei. Iets wat we natuurlijk maar slecht kunnen begrijpen vanuit de conventionele fysica.

Het komt er uiteindelijk op neer dat afhankelijk van het type experiment we uitvoeren wat we waar nemen. Als we een deeltjes experiment uitvoeren zien we een deeltje, als we een golf experiment uitvoeren zien we een golf.

Maar waarschijnlijk bedoelde je dit.

Het is zeker een interessante wetenschap en ik ben benieuwd wat deze techniek ons in de toekomst zal brengen. Al lijkt het mij een fragiele techniek, tenslotte gaat het over hele kleine waardes en bij MRI/NMR heb je daar toch wel een erg specifieke omgeving voor nodig.

[Bafti]

De electronstraal is inderdaad zeer klein en niet van significante invloed. maar de straal van atomen is daarintegen wel zeker significant bij productie op 11nm deze ligt ongeveer tussen de 0,03nm en de 0,3nm. om het overspringen van electronen op andere kanalen te voorkomen moet de afstand tussen kanalen groter blijven dan 10nm als ik me niet vergis, dus we zitten tegenwoordig vrij dicht tegen (het nu gestelde) theoretisch maximum aan te werken. wat zeer indrukwekkend is.

[tweakerss]

Dat klop niet wat je zegt over 11nm is 7 cm dat is 40000000m*0,000000011m= 0,44meter, toch is het nog steeds heel indrukwekkend natuurlijk.

[Lordsauron]

Het mooiste vind ik: "Onderzoekers hebben in het verleden al pogingen gedaan om spin te controleren" & "geeft de wetenschappers eenvoudige controle over de spin." het is hem gelukt. en meteen is het ook "makkelijk".

@tombuis, ik weet niet zeker maar zou dit niet met de kop van een HDD kunnen ? die leest toch ook heeele kleine magntische veldjes uit?

[C0rnelis]

Dat is toch wel vaker zo?
In de wiskunde kan alles handmatig nagerekend worden, maar men kan ook gebruik maken van wiskundige formules. Dan wordt het opeens een stuk simpeler van! Terwijl er mogelijk wel heel veel moeite is gestoken in het bewijzen van de formule.

[TomTube]

ja dat klopt de kop van een HDD leest ook kleine magnetische velden. maar ik kan me niet voorstellen dat deze op Nano niveau plaatsvinden. het zal dan waarschijnlijk wel via hetzelfde principe plaatsvinden

[DCG909]

het veld van een HDD is veel groter dan dit, en veranderd (dacht ik) ook trager.

[Shapeshifter]

Moderne harde schijven gebruiken geen veld meer om te lezen (als in van een elektromagneet), maar effecten zoals Giant Magnetoresistance (GMR) of Tunnel Magnetoresistance (TMR), waardoor de elektrische weerstand van een materiaal verandert wanneer de spinpolarisatie van twee ferromagnetische materialen verandert (hoge weerstand bij anti-parallele polarisatie, lage weerstand bij parallele polarisatie). Een bit wordt dus gelezen door de elektrische weerstand door de leeskop te meten...

TMR kan in de toekomst waarschijnlijk ook gebruikt gaan worden om MRAM van te maken (waardoor flashgeheugen nog kleiner en eenvoudiger gemaakt kan worden).

[DCG909]

pfff, dan kun je echt veel opslaan op een usb (of de opvolger ervan, of usb 4.0 (om maar iets geks te noemen)).
Ik heb nog een 9 jaar oude usb 2.0 stick liggen van twee gig, heb er ook een van 8 gig die dezelfde grote heeft.
Als de technologie zo doorgaat kun je over 10 jaar misschien wel 1TB op zo'n ding zetten....

[Azeirah]

Dit is dan wel geen usb-stick, maar toch.
http://www.sdcard.org/developers/tech/sdxc

Een MICRO-SD kaartje (veel kleiner dan een usb stick dus ook)
Met 2TB geheugen.
Dus niet over 10 jaar.
Zijn nog wel verschrikkelijk duur...

[martijnj]

De standaard voor 2TB micro-sd bestaat, dat zegt nog niet dat er van die kaartjes bestaan .. ( </mierenneukmodus>? )

[Goron]

Nanodraden zijn echt de oplossing voor alles. Hoeveel berichten ik al niet heb gelezen waarin nanodraden/tubes een oplossing zouden kunnen bieden voor iets... ik ben benieuwd waar we ze allemaal terug gaan zien over 15 jaar.

[Shapeshifter]

Het is een populair materiaal (vandaar dat de Nederlander Andre Geim er net de Nobelprijs voor heeft gewonnnen -> Grafeen), wees echter niet te optimistisch. Wellicht dat het in technologie gebruikt gaat worden (wordt het al voor een deel), maar er is nog erg veel dat we niet begrijpen, zeker op procesgebied. Verder is de sociale impact ook belangrijk. We moeten heel voorzichtig zijn om niet dezelfde connotatie op ons te krijgen als genetische manipulatie, de giftigheid van (koolstof)nanobuizen wordt ook nog volop onderzocht...

[Goron]

Dat van die giftigheid snap ik nooit zo goed. Ik bedoel, alle stoffen zijn opgebouwd uit deeltjes op nano-niveau (of kleiner). Waarom zou deze structuur ineens zo gevaarlijk zijn? Ik begrijp dat men(onderzoekers) voorzichtig is om zo dat predicaat van gentech niet over te nemen, maar ik snap niet waarom mensen (in het algemeen) er van tevoren al allerlei enge ideeën over hebben, alleen omdat het 'nano' is. Alle scheikunde is nano...

[digistamremco]

Hele kleine deeltjes kunnen als ze vrij komen terecht komen op plaatsen waar ze niet thuishoren (bijvoorbeeld in je cellen) en het is nog niet goed duidelijk wat de gevolgen hiervan kunnen zijn. Dat dat hele grote gevolgen kan hebben voor de volksgezondheid blijkt wel uit het hele asbestgebeuren. in de jaren 60 een brandwerend wondermateriaal tot men er jaren later achter kwam dat de ultra fijne vezeltjes ingeademd door het lichaam gingen zwerven en jaren na blootstelling allerlei dodelijke ziektes veroorzaakten zoals asbestose, longkanker, mesothelioom, en asbestpleuritus. Reden genoeg om met dit soort nieuwe materialen wat extra voorzichtig te zijn.

[Pb Pomper]

Dan is er nog de kwestie van afbreekbaarheid. Omdat nanotubes een zeer sterke structuur hebben die in de natuur niet voorkomt, is het nog maar de vraag wat er gebeurd als het in het milieu terechtkomt. nieuws: Onderzoekers bezorgd over gezondheidsrisico nanotubes

Al heb ik enkele dagen geleden op Tweakers een nieuwsbericht gezien waarin ze zeggen dat het mogelijk toch deels afbreekbaar is.

Ow, kan het niet vinden. Dan maar een andere link:P
http://www.kennislink.nl/...nobuisjes-wel-afbreekbaar

[kimborntobewild]

...maar ik snap niet waarom mensen (in het algemeen) er van tevoren al allerlei enge ideeën over hebben

Het is al lang gebleken dat veel kunstmatige nano-onderdelen extreem giftig zijn. Niks 'van te voren': het is dus al lang gebleken dat het zo is.
Doodlogisch dus dat als je nieuwe nano-materialen maakt, je ze uiterst goed onderzoekt hoe giftig ze zijn en of 't uberhaupt wel het risico waard is om ze op de markt te brengen.

[ls470]

Nieuwe ontwikkelingen worden vaak de oplossing van alle problemen genoemd... Tot er meer een meer van begrepen wordt, en alle beperkingen en moeilijkheden zichtbaar worden.
Hoe verder een techniek van commercialisatie staat, hoe meer er dus mee kan volgens overijverige toekomstvoorspellers

Ik wil dit (en andere aankondigingen van doorbraken) zeker niet afbreken, maar er is waarschijnlijk nog veel werk nodig voordat het mogelijk is in te zien of al die nieuwe technieken revolutionair zijn of nooit zullen doorbreken omdat er te veel problemen aan vastzitten...

[TomTube]

erg knap ! dit stuk wekt alleen meteen een vraag bij mij op.
wanneer de spin zo makkelijk beïnvloed kan worden en er dus mee gerekend kan worden. moet er ook iets zijn wat deze zeer zeer maar dan ook zeer kleine magnetische velden kan registreren. een normaal magnetisch veld is het werk van duizenden atomaire deeltjes. ik hoop voor de wetenschappers dan ook dat dit al op de een of andere manier kan worden opgelost

[RonnieBiggs]

Bij een MRI apparaat worden al hele kleine variaties in het magnetisch veld gedetecteerd. Bij een andere vorm daarvan, de NMR, kan je nog kleinere magnetische vernaderingen waarnemen (dit wordt gebruikt om o.a. de structuur van gesynthetiseerde moleculen te achterhalen).
Bijkomend nadeel aan de bovenstaande technieken is het grote permanente magnetisch veld en de enorme omvang van de apparaten (en de daarbijhorende koeling)

[Shapeshifter]

Zie het zo: zuurstof is ook giftig als je er teveel van binnenkrijgt. Het is gewoon erg lastig om de gevolgen van een nieuw materiaal in te zien, kijk maar naar asbest, dat was destijds ook magisch, maar tegenwoordig weten we (helaas) beter.

In het Engels zeggen we: better safe than sorry, dat verklaart onze voorzichtige aanpak...

[Verwijderd]

straks is de vraag,wat kan nanodraad niet?

[Peenutzz]

Ik begrijp pas sinds kort een beetje wat er met spin bedoeld wordt, maar nu ik dit lees komen er weer een hoop vragen naar boven, waaronder: Hoe kan spin evenwijdig zijn aan iets? Wel mooi dat ze het onder controle beginnen te krijgen

[PrinsEdje80]

Dat heeft te maken met dat de spin als een vector wordt gerepresenteerd. Dit is bij elementaire deeltjes langs een een-dimensionale as. Dus de spin is of evenwijdig (gelijke richting) of tegengesteld (tegenovergestelde richting). Misschien ook wat meer hier lezen...?!?

[Verwijderd]

Spin is wiskundig te beschrijven alsof het een normaal impulsmoment is. Een impulsmoment kan worden beschreven met een vector die een richting heeft. Bij een draaiende schijf is die vector te visualiseren als een pijl die loodrecht op de schijf staat, door het middelpunt gaat en omhoog wijst als de schijf tegen de klok in draait en omlaag wijst als de schijf met de klok mee draait. De grootte (lengte) van de vector is proportioneel met de snelheid van de draaiing. Spin kun je op dezelfde manier beschrijven.

[steareth]

denk dat het aan mij ligt of ik moet nog wakker worden, heb het nou 2x gelezen... waar wordt dit voor gebruikt? (in lekentaal) heb net pas me eerste bakkie koffie op joh!
alhoewel ik er nog niet veel van snap moet ik zeggen dat dit erg knap is, weer een stap dichterbij naar een portable super computer