EnglishNieuw soort magneet stuurt draaiende elektronen een draad in, zonder storend magneetveld
Europese onderzoekers laten voor het eerst zien dat een altermagneet, een magneet zonder magneetveld naar buiten, een stroom van gelijk draaiende elektronen kan maken. Dat is een stap naar zuiniger en kleiner computergeheugen.
Een Europees onderzoeksteam heeft voor het eerst laten zien dat een nieuw soort magneet, een altermagneet, een stroom van gelijk draaiende elektronen kan maken. Dat lukte met het materiaal Mn5Si3, een verbinding van mangaan en silicium. Het bijzondere is dat dit materiaal zelf geen magneetveld naar buiten geeft. Het onderzoek verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Onder de 24 auteurs zijn Fèlix Casanova van het Spaanse onderzoekscentrum CIC nanoGUNE en Helena Reichlová van de Tsjechische Academie van Wetenschappen.
Rekenen met de draaiing van elektronen
Een computerchip werkt met elektrische stroom: elektronen die door draadjes bewegen. Maar elektronen hebben nog een eigenschap. Ze draaien als het ware om hun eigen as, als piepkleine tolletjes. Die draairichting heet spin, en ze kan twee kanten op wijzen: omhoog of omlaag.
Spintronica is het vakgebied dat die spin gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken. Het zit al in de leeskop van harde schijven en in een soort computergeheugen dat zijn inhoud bewaart als de stroom uitvalt. Omdat zulk geheugen weinig energie kost, zien veel onderzoekers spintronica als een route naar zuiniger computers.
Het probleem met gewone magneten
Om spintronica te laten werken, moet je een stroom maken waarin meer elektronen de ene kant op draaien dan de andere. Tot nu toe gebruikte men daarvoor vooral gewone magneten, zoals het ijzer in een koelkastmagneet. Daarin wijzen de spins van de atomen allemaal dezelfde kant op, en een stroom die erdoor gaat, neemt die voorkeur over.
Het nadeel: zo'n magneet geeft een magneetveld naar buiten. Op een chip staan onderdelen heel dicht op elkaar, en dat veld kan de buren verstoren. Daardoor kun je ze niet onbeperkt klein en dicht maken.
Er bestaat ook een soort magneet zonder veld naar buiten. Daarin wijzen de spins om en om de andere kant op, zodat ze elkaar opheffen. Maar zo'n magneet kon tot nu toe geen stroom van gelijk draaiende elektronen leveren.
Het beste van twee werelden
Altermagneten zijn een soort magneet die natuurkundigen pas sinds een paar jaar als aparte groep erkennen. Net als in de tweede soort heffen de spins elkaar op, dus er is geen magneetveld naar buiten. Maar door de manier waarop de atomen in het materiaal liggen, bewegen elektronen met spin omhoog en spin omlaag zich toch anders door het materiaal. Volgens de theorie kan een altermagneet daardoor wel een stroom van gelijk draaiende elektronen leveren. Dat was nog nooit rechtstreeks gemeten.
Hoe het team het aantoonde
De onderzoekers bouwden een klein testcircuit. Een strookje Mn5Si3 stuurde stroom in een koperen draadje. Een stukje verderop zat een gewone magneet als meetpunt. Die kan zien of er in het koper elektronen met een voorkeur voor één draairichting aankomen.
Dat bleek zo te zijn. Het sterkste bewijs kwam toen de onderzoekers de magnetische toestand van het Mn5Si3 omdraaiden. Dan draaide ook het gemeten signaal om. Dat laat zien dat de voorkeur voor één draairichting echt uit de altermagneet komt, en niet uit een ander bekend effect. Het team zag dit in twee verschillende opstellingen.
Volgens de berekeningen van de onderzoekers heeft 6,5 tot 10 procent van de elektronen in de stroom een voorkeursrichting. Dat is vergelijkbaar met gewone magneten. De gelijk gerichte spin blijft volgens hun berekening in het materiaal behouden over een afstand van 50 tot 130 nanometer, honderden tot duizenden keren dunner dan een haar.
Het onderzoek is gedaan met kleine proefcircuits in het lab. De volgende stap is uitzoeken hoe sterk het effect in praktische onderdelen kan worden.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Computers worden steeds krachtiger, maar ze gebruiken ook steeds meer stroom. Dat geldt vooral voor de grote datacenters waarin AI-modellen worden getraind en gebruikt. Geheugen en rekenonderdelen die zuiniger zijn en dichter op elkaar passen, helpen om meer rekenkracht te krijgen voor dezelfde energie. Altermagneten zouden de voordelen van spintronica kunnen leveren zonder het storende veld van gewone magneten. Met dit experiment is de belangrijkste belofte van deze nieuwe materialen voor het eerst in het lab bevestigd. Nu kunnen onderzoekers gaan werken aan onderdelen die je ooit in een chip kunt bouwen.
