Flinterdunne plakjes magneet, van een enkele atoomlaag dik, zijn veelbelovend voor toekomstige magnetische dataopslag en snelle dataverwerking. Een internationale groep onderzoekers, met onder meer Delftse natuurkundigen, is er nu in geslaagd deze 2D-magneten met licht te beheersen.
Flinterdunne magneten zijn veelbelovend, omdat je er supercompacte magnetische harde schijven mee kunt maken, wat leidt tot efficiënte dataopslag. Daarnaast kunnen ze informatie tot honderd keer sneller verwerken dan de huidige technieken.
Dankzij deze eigenschappen kunnen 2D-magneten de basis gaan vormen voor zogeheten spintronica. Dit is is elektronica waarbij niet (alleen) de elektrische lading van elektronen gebruikt wordt, maar (ook) de magnetische eigenschap ‘spin’. De spin kun je zien als de rondtollende beweging van het elektron, die resulteert in een klein magnetisch moment. Spin is voor te stellen als een piepklein kompasnaaldje dat – als je het in een magneetveld plaatst – zich naar het veld richt. In theorie is ‘spintronica’ energiezuiniger dan de huidige elektronica.
2D-magneten
De dunne magneten bestaan uit een zogeheten vanderwaalsmateriaal, dat is opgebouwd uit gestapelde vellen van een atoomlaag dik die bij elkaar gehouden worden door de vanderwaalskrachten. ‘Omdat vanderwaalskrachten zwak zijn, kun je er gemakkelijk een of meerdere tweedimensionale atomaire laagjes vanaf pellen’, vertelt Dmytro Afanasiev, van de Duitse universiteit van Regensburg. Een voorbeeld van een tweedimensionaal vanderwaalsmateriaal is grafeen, waarvan de ontdekkers in 2010 de Nobelprijs ontvingen.
Grafeen heeft echter geen magnetische eigenschappen. Daarom gebruikten de onderzoekers een magnetisch materiaal dat bestaat uit lagen nikkel, fosfor en zwavel (NiPS3).
Magnetisch rommeltje
Een flinterdunne magneet klinkt kwetsbaar, maar het materiaal is behoorlijk sterk. Helaas zijn de magnetische eigenschappen minder stabiel. De magnetische spins van elektronen in het materiaal zijn erg gevoelig voor warmte. Zodra de temperatuur boven het absolute nulpunt van −273°C uitkomt, beginnen de kompasnaaldjes willekeurig te draaien, waardoor de magnetische toestand een onbruikbaar rommeltje wordt.
Natuurkundigen zoeken daarom naarstig naar manieren om de spins in het gareel te houden. Een manier om dat te doen is door ‘magnetische anisotropie’ op te wekken. ‘Magnetische anisotropie bepaalt welke kant de spins op wijzen’, legt Afanasiev uit. ‘Als het er niet is, dan kunnen de spins elke willekeurige kant op wijzen. Door magnetische anisotropie op te wekken, zorgen wij ervoor dat de spins maar twee verschillende, tegengestelde kanten op kunnen wijzen.’ De spins kunnen bijvoorbeeld enkel omhoog of omlaag wijzen. Die twee richtingen kun je als 0 en 1 gebruiken om er informatie mee op te slaan.
Bovendien zorgt de beperking ervoor dat het moeilijker is voor de spins om hun oriëntatie te veranderen en andere, willekeurige kanten op te wijzen. Zo blijven de spins ook bij hogere temperaturen netjes geordend.
Lichtcontrole
De internationale onderzoeksgroep wekte magnetische anisotropie op met superkorte lichtpulsen van minder dan een biljoenste van een seconde. Met de lichtpulsen controleerden ze de beweging van de elektronen, wat vervolgens de spin beïnvloedde. ‘Dit werkt alleen met bepaalde kleuren licht’, vertelt Afanasiev. Verschillende kleuren licht hebben verschillende hoeveelheden energie. De energie moest precies kloppen met de beweging van het elektron om de spins te controleren.
Het lukte de onderzoekers zo om korte tijd – zo lang als de lichtpuls duurde – magnetische anisotropie op te wekken. De onderzoekers denken dat het mogelijk is om met lange lichtpulsen de magnetische anisotropie langer en sterker te maken.
‘Het is een belangrijke stap voorwaarts voor de toekomstige ontwikkeling van magnetisch vanderwaalsonderzoek’, mailt Je-Geun Park, hoogleraar aan Seoul National University en niet betrokken bij het onderzoek. ‘Het kunnen beheersen van de magnetische anisotropie met externe middelen is essentieel om het materiaal te kunnen gebruiken voor mogelijke toepassingen in spintronica.’