Het blijft een eigenaardig vakgebied, de 'spintronica', de combinatie van elektronica en magnetisme waar natuurkundigen al een paar jaar dolenthousiast over zijn. Aan de ene kant wordt spintronica al volop toegepast in iedere harddisk. Aan de andere kant staat het vak nog volledig in de kinderschoenen, met pas heel in de verte beloften van herprogrammeerbare chips en ongekend krachtige quantumcomputers.

Sinds vandaag zijn die schoenen wel weer een maatje groter. Onderzoekers van de universiteit van Delaware en het Amerikaanse bedrijf Cambridge NanoTech laten in het vakblad Nature voor het eerst een voorbeeld zien van een spintronica-toepassing in silicium. Dat is het goedkope halfgeleidermateriaal waar de meeste computerchips van gemaakt zijn, en waar bijna alle productieprocessen op toegesneden zijn.

Die nu gebruikte elektronica in uw mobieltje, computer of radio werkt met kleine stroompjes van elektronen. Als die stromen is dat een '1', als ze stilstaan een '0'. Maar elektronen hebben nog meer eigenschappen: ze kunnen om hun as tollen, een eigenschap die 'spin' heet, en waardoor het elektron zich gedraagt als een minuscuul elementair magneetje.

Spintronica is het uitbuiten van die extra eigenschap voor elektronische doeleinden. Zo zou een linksom-draaiend elektron een '1' kunnen betekenen, en rechtsom een '0'. Het idee is niet zozeer dat er dan meer informatie in één elektron gepropt kan worden, maar dat spins gemakkelijk te koppelen zijn aan magneetvelden. Bijvoorbeeld minimagneetjes op de chip. Dan blijft informatie ook bewaard als het apparaat uitgaat.

Zoiets gebeurt al jaren op de harde schijf van een computer, waar de enen en nullen uitgelezen worden met een spintronica-onderdeel dat linksom- en rechtsom-draaiende elektronen onderscheidt. Iets vergelijkbaars is te vinden
in het nieuwe geheugentype MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), dat vorig jaar op de markt is gekomen. Niet alleen blijven de opgeslagen gegevens intact zonder stroom, zoals op ieder USB-stickje, maar MRAM is ook net zo snel te veranderen en uit te lezen als een gewoon computergeheugen. Alleen is het nog wel wat duur.

Maar nog mooier zou het zijn als ook het hart van de computer, de transistoren in de computerprocessor, een magnetisch herprogrammeerbare spintronicaversie zouden krijgen. Nu zijn verschillende delen van de procesor ontworpen voor vaste taken, dan zou je het ontwerp van de processor in één keer opnieuw kunnen programmeren, bijvoorbeeld van krachige cijferkraker naar supersnelle videokaart, afhankelijk van wat er op dat moment moet gebeuren. Ook voor de computerchipsindustrie zou het veel werk en kosten schelen: je hoeft maar één soort universele computerchip te maken, die je vervolgens magnetisch in vele gedaanten kunt omtoveren.

Nog verder in het verschiet ligt de nog heiliger graal van de quantumcomputer. Die zou elektronenspins kunnen gebruiken om bepaalde berekeningen extreem snel uit te voeren. Maar daarvoor moet je ze wel heel precies kunnen manipuleren.

Het was al gelukt om spintronica-componenten te maken die linksdraaiende van rechtsdraaiende elektronen scheiden, om ze vervolgens onverstoord verder te laten stromen, of onderweg te manipuleren met magneetvelden. Alleen was dat in speciale halfgeleiders als galliumarsenide (GaAs), en niet in het veel gangbaarder silicium, dat bij computerbouwers de voorkeur heeft.

De onderzoekers berichten nu over een stapeling van dunne laagjes waarin hetzelfde ook in silicium gebeurt. In de eerste, metalen laagjes krijgen de elektronen een flinke snelheid en worden ze met een magneetje geselecteerd op 'spin'-richting. Dan moeten ze al stromend een 0,01 millimeter dik laagje silicium overbruggen, om vervolgens weer met een magneetje geselecteerd te worden op spin. Zo kun je zien of ze nog dezelfde kant op draaien.

En zowaar: als de magneetjes bij de in- en de uitgang dezelfde kant op stonden, was de doorstroming veel beter, maten de natuurkundigen. Dat is een duidelijk teken dat de elektronen onderweg in het silicium hun spin bewaren. Verder bewijs kwam toen er dwars op het siliciumlaagje een extern magneetveld aangelegd werd, waardoor de elektronenspins onderweg geleidelijk van richting veranderen. Als dat magneetveld zó was ingesteld dat de spins onderweg precies 180 graden draaiden, moesten de in- en uitgangsmagneetjes juist tegengesteld staan voor de optimale stroom.

'Het is een heel leuk resultaat, dat ze technisch heel slim hebben aangepakt', zegt natuurkundige Bert Koopmans van de TU Eindhoven, die zelf ook spintronica-onderzoek doet. Hij noemt het 'een kleine stap op een heel lange weg'. Zo gaat het om extreem zwakke stroompjes, gemeten in pico-Ampères (een biljoenste Ampère), dus een direct bruikbaar onderdeel is het zeker nog niet. Koopmans: 'Maar mensen hebben heel lang vergeefs geprobeerd zoiets in silicium te doen. Dat is nu gelukt'

Bruno van Wayenburg

Ian Appelbaum, Biqin Huang, Douwe J. Monsma, 'Electronic measurement and control of spin transport in silicon', Nature, 17 mei 2007