Snelheidslimiet bepaald voor elektrisch schakelen

Fysici van de UvA hebben bepaald wat de minimale tijd is waarbinnen magnetiet elektrisch kan schakelen. Samen met een internationaal onderzoeksteam is het de wetenschappers gelukt om direct te meten dat het maar een picoseconde duurt om dit oxide te laten switchen van isolerend naar geleidend gedrag: dat is duizend keer sneller dan de beste grafeentransistoren. Deze resultaten kunnen leiden tot betere transistoren: de kleine aan/uit-schakelaars van computerchips. Zo'n innovatie is een eerste stap naar snellere, krachtigere processoren die minder stroom gebruiken. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag online in het vooraanstaande tijdschrift Nature Materials.

Magnetiet (Fe[3]O[4]) komt in de natuur voor als mineraal. In het onderzoek werd het blootgesteld aan een krachtige laserpuls van zichtbaar licht. Deze lichtpuls breekt de geordende patronen waarin de elektronen vastzitten. Die breking is het startschot van een proces waardoor het magnetiet uiteindelijk geleidend wordt. Kort na die eerste stap, volgt een ultrakorte, ultraheldere puls van de Linac Coherent Light Source (LCLS) bij SLAC National Accelerator Laboratory. Met deze roentgenlaser wist het onderzoeksteam voor het eerst de tijdschalen en details van de veranderingen in het magnetiet door de oorspronkelijke laserpuls waar te nemen.

Nederlands tintje: de Verwey-overgang

Magnetiet is het eerste metaaloxide waarin een overgang tussen geleidend en isolerend gedrag is waargenomen. Evert Verwey, de latere directeur van het Philips NatLab, was in 1939 de eerste die hierover publiceerde in vakblad Nature. Verwey studeerde wis- en natuurkunde aan de voorloper van de huidige UvA en was lange tijd lid van de bestuur van Stichting FOM. Zijn ontdekking dat de elektronen vast kunnen vriezen in een oxide zoals magnetiet, en zodanig elektrische geleiding kunnen uitschakelen, was een primeur. Daarom draagt dit proces, dat plaatsvindt bij -150 DEGC de naam Verwey-overgang.

Vries- en smeltproces

Lang is er gezocht naar het microscopische mechanisme van de Verwey-overgang: hoe de vastgevroren elektronenpatronen smelten en loskomen, zodat de bewegelijke ladingen een metaal opnieuw geleidend maken. In de nieuwe experimenten gebruikten de onderzoekers, waaronder de Amsterdamse fysici prof.dr. Hermann Duerr, prof.dr. Mark Golden en voormalig UvA-promovendus dr. Sanne de Jong, de ultrasnelle röntgenflitsen van de LCLS om het smelten van de bevroren ladingen in magnetiet te 'filmen'. Net als in een tekenfilm maakten zij snel vele snapshots van het materiaal in die eerste smeltfase.

Bliksemsnel schakelen

De isolerende toestand van magnetiet blijkt te bestaan dankzij groepjes van drie ijzeratomen in het rooster, trimerons geheten. Als er voldoende fotonen in de eerste laserpuls zitten, wordt een kwart van de trimerons ontmanteld. Dit gebeurt razendsnel: binnen een kwart van een picoseconde. Op de plekken waar het bijzondere patroon van trimerons kapot is, kunnen elektronen vrij bewegen. Wanneer dit leidt tot een netwerk van metallische filamenten die elkaar raken, schakelt het kristal tussen de 'uit' en 'aan' geleidingstoestanden. Door de LCLS-laser als razendsnelle stopwatch te gebruiken, konden de wetenschappers de Verwey-overgang nauwkeurig volgen en de snelheidslimiet voor schakelen vaststellen op een picoseconde (een miljoenste van een miljoenste van een seconde). Die limiet geldt ook voor toekomstige oxide elektronica.

Duerr en Golden zijn zeer enthousiast over de verkregen resultaten: niet alleen is de puzzel van het mechanisme van de Verwey-overgang in magnetiet opgelost, ook is bewezen dat complexe oxides van overgangsmetalen zoals ijzer in staat zijn hun geleidingstoestand duizend keer sneller te laten schakelen dan de allerbeste grafeentransistoren. Verder onderzoek is gestart om andere oxidematerialen te verkennen, die bij kamertemperatuur soortgelijk schakelgedrag kunnen vertonen, om concrete toepassingen in de informatietechnologie dichterbij te brengen.

Bron: Nieuwsbank