Dansk forskningsgennembrud: Spin-transistoren er kommet inden for rækkevidde

Forskere ved universitetet i Aarhus er ved en tilfældighed snublet over en fysisk effekt, som tegner til at blive et afgørende gennembrud for spintronics-elektronikken. De har opdaget et velegnet stof, en slags halvleder, som kan danne basis for en brugbar spin-FET-transistor. Det vil sige en transistor, som åbner kanalen mellem source og drain (indgang og udgang) ved at vende elektronernes spinretning.

»En spin-FET kan bruges til mange ting. For eksempel til computerchips og -hukommelser, som ikke bruger ret meget strøm. Det er også en af de komponenter, der ligner det, man mangler inden for kvantecomputing,« siger professor Philip Hoffman, Interdisciplinary Nanoscience Center på Aarhus Universitet.

Transistoren er ikke konstrueret endnu, men de fysiske forsøg, som viser, at det er muligt at skifte tilstand i en spin-FET ved stuetemperatur, er nu gennemført. Forskningsrapporten er publiceret i forskningsmagasinet Physical Review Letters fredag 26. august.

Så er det nu, industrifolk!

»Dette er et signal til halvlederindustrien om, at nu er spin-FET-transistoren inden for en rimelig rækkevidde. Før var det helt umuligt, fordi forsøgene måtte foregå tæt på det absolutte nulpunkt,« siger han.

I en normal FET-transistor er der et isolerende halvledermateriale mellem source- og drain-terminalen. Ved at sætte en lille spænding på en tredje terminal, gaten, skubbes en sky af elektroner ind i isolatorlaget, og så bliver laget ledende. Transistoren åbnes.

I en spin-FET, derimod, er source og drain lavet af to forskellige, magnetiske materialer, som kun lader elektroner passere, hvis de spinner i den rigtige retning. Og da spinnet i source og drain er ens til at begynde med, er strømkanalen indledningsvist åben. Når der nu sættes en lille spænding på gate-terminalen, sker der noget nyt.

Fordi der er tale om et stof med meget specielle egenskaber, vil gate-spændingen dreje elektronernes spin inde i midten af transistoren. Og derved blokeres udgangen gennem drain. Transistoren lukkes.

Stoffer med nye egenskaber

Det særlige stof er bismuth selenid, som kemikere har kendt i årtier. Der var bare ingen, der vidste, at det hørte til i en kategori, som nu kaldes topologiske isolatorer. Teorien om de topologiske isolatorer dukkede op i 2006, og de første materialer, der opfører sig på den måde, blev fundet i 2008. I øjeblikket kendes cirka 10 sådanne stoffer, men naturen rummer måske mange flere.

En topologisk isolator er et stof, som i sit indre er en isolator, men på overfladen opfører sig som et metal.

»Vi var i gang med at udforske de topologiske isolatorers egenskaber generelt, og pludselig faldt vi over en Rashba-effekt, som var ti gange større end noget, der er set før. Og i modsætning til de andre stoffer så er effekten der ved stuetemperatur,« fortæller Philip Hoffman.

Rashba-effekten er opkaldt efter den ukrainske fysiker Emmanuel Rashba. Den beskriver, hvordan en elektronsky bliver splittet op i to dele, hver med sit elektronspin, under påvirkning af et elektrisk felt.

Der skal forskes mere

»De topologiske isolatorer er ganske nye, så der er meget at finde ud af om dem. Det er meget tænkeligt, at der kan findes andre stoffer, som er endnu bedre egnet som transistormateriale,« siger han.

En newzealandsk forsker har udtrykt, at det kan blive svært at konstruere en brugbar spin-FET-transistor på grund af et begreb, som kaldes spin relaxation. Men det afviser Philip Hoffmann:

»Rashba-effekten i bismuth selenid er meget kraftig, og spin-retningen vender meget hurtigt. Derfor behøver elektronerne ikke bevæge sig ret langt, og så falder sandsynligheden for, at spinnet begynder at vandre rundt. Men der skal nu nok blive konstruktionsvanskeligheder alligevel. For det kan blive svært at lægge en oxid-film på stoffet, som er nødvendig for at beskytte det. Vi ved faktisk ikke ret meget om det endnu.«