Kwantumfysici aan de Technische Universiteit Delft hebben aangetoond dat het voor het eerst mogelijk is om spin golven op een chip te beheersen en manipuleren met behulp van supergeleiders. Deze minuscule golven in magneten kunnen in de toekomst een alternatief bieden voor elektronica. De studie, gepubliceerd in Science, geeft fysici vooral nieuwe inzichten in de interactie tussen magneten en supergeleiders.
“Spin golven zijn golven in een magnetisch materiaal die we kunnen gebruiken om informatie te verzenden,” legt Michael Borst uit, die het experiment leidde. “Omdat spin golven een veelbelovend bouwsteen kunnen zijn voor een energie-efficiënte vervanging van elektronica, zijn wetenschappers al jaren op zoek naar een efficiënte manier om spin golven te beheersen en manipuleren.” Theorie voorspelt dat metalen elektroden controle geven over spin golven, maar fysici hebben dergelijke effecten tot nu toe nauwelijks in experimenten gezien.
Het werkt als volgt: Een spin golf genereert een magnetisch veld dat op zijn beurt een superstroom in de supergeleider genereert. Die superstroom werkt als een spiegel voor de spin golf. De supergeleidende elektrode reflecteert het magnetische veld terug naar de spin golf. De supergeleidende spiegel zorgt ervoor dat spin golven langzamer op en neer bewegen, waardoor de golven gemakkelijk te beheersen zijn.
“We begonnen met een dunne magnetische laag van yttrium ijzer granaat (YIG), bekend als de beste magneet op aarde. Daar bovenop legden we een supergeleidende elektrode en nog een elektrode om de spin golven op te wekken. Door te koelen tot -268 graden, kregen we de elektrode in een supergeleidende toestand,” zegt Toeno van der Sar, universitair hoofddocent aan de afdeling Quantum Nanoscience.
“Het was verbazingwekkend om te zien dat de spin golven steeds langzamer werden naarmate het kouder werd. Dat geeft ons een unieke mogelijkheid om de spin golven te manipuleren; we kunnen ze afbuigen, reflecteren, laten resoneren en meer. Maar het geeft ons ook enorme nieuwe inzichten in de eigenschappen van supergeleiders,” voegt Van der Sar toe.
“Spin golf technologie staat nog in de kinderschoenen,” zegt Borst. “Bijvoorbeeld, om energie-efficiënte computers met deze technologie te maken, moeten we eerst beginnen met het bouwen van kleine circuits om berekeningen uit te voeren. Onze ontdekking opent een deur: supergeleidende elektroden maken talloze nieuwe en energie-efficiënte spin-golf circuits mogelijk”.
“We kunnen nu apparaten ontwerpen op basis van spin golven en supergeleiders die weinig warmte en geluidsgolven produceren,” voegt Van der Sar toe. “Denk aan de spintronica versie van frequentiefilters of resonatoren, componenten die te vinden zijn in elektronische circuits van mobiele telefoons, bijvoorbeeld. Of circuits die kunnen dienen als transistors of connectoren tussen qubits in een quantumcomputer”.