Voor het eerst controle over golven in magneten met supergeleiders

Quantumfysici van de TU Delft hebben voor het eerst laten zien dat het mogelijk is om spingolven op een chip te controleren en manipuleren met behulp van supergeleiders. Deze minuscule golven in magneten bieden in de toekomst mogelijk een alternatief voor elektronica, interessant voor bijvoorbeeld energiezuinige informatietechnologie of koppelstukjes in een quantumcomputer. De doorbraak, die gepubliceerd is in Science, geeft natuurkundigen in eerste plaats nieuw inzicht in de wisselwerking tussen magneten en supergeleiders. 

Energiezuinige vervanger
“Spingolven zijn golfjes in een magnetisch materiaal waarmee we informatie kunnen versturen”, legt Michael Borst uit, die het experiment leidde. “Omdat spingolven een veelbelovende bouwsteen kunnen vormen voor een energiezuinige vervanger van elektronica, zoeken wetenschappers al jaren naar een efficiënte manier om spingolven te controleren en manipuleren.” 

De theorie voorspelt dat metalen elektrodes controle geven over spingolven, maar natuurkundigen zagen daar tot nu toe weinig van in experimenten. “De doorbraak van ons onderzoeksteam is dat we laten zien dat we spingolven wel goed kunnen controleren als we gebruik maken van een supergeleidende elektrode”, aldus Toeno van der Sar, Associate Professor bij de afdeling Quantum Nanoscience. 

Supergeleidende spiegel
Dat werkt als volgt: een spingolf wekt een magneetveld op dat op zijn beurt een superstroom opwekt in de supergeleider. Die superstroom werkt als een spiegel voor de spingolf: de supergeleidende elektrode kaatst het magneetveld terug naar de spingolf. De supergeleidende spiegel veroorzaakt spingolven die langzamer op en neer bewegen, en dat maakt de golven goed controleerbaar. Borst: “Als spingolven onder de supergeleidende elektrode terecht komen, blijkt dat hun golflengte volledig verandert! En door de temperatuur van de elektrode een klein beetje te variëren, kunnen we de grootte van de verandering heel accuraat afstemmen.”

“We begonnen met een dun magnetisch laagje van yttrium-ijzer-granaat (YIG), bekend als de beste magneet op aarde. Daar legden we een supergeleidende elektrode op en nog een elektrode op de spingolven op te wekken. Door te koelen naar -268 graden kregen we de elektrode in een supergeleidende staat”, vertelt Van der Sar. “Het was verbazingwekkend om te zien dat de spingolven steeds langzamer werden naarmate het kouder werd. Dat geeft ons een uniek handvat om de spingolven te manipuleren; we kunnen ze afbuigen, reflecteren, laten resoneren en meer. Maar het geeft ons ook geweldige nieuwe inzichten in de eigenschappen van supergeleiders.”

Unieke sensor
De onderzoekers brachten de spingolven in beeld door hun magneetveld te meten met een unieke sensor, iets wat essentieel was voor het experiment. Van der Sar: “We gebruiken elektronen in diamant als sensoren voor de magneetvelden van de spingolven. Ons lab is pionier van die techniek. Het gave eraan is dat we door de ondoorzichtige supergeleider heen naar de spingolven eronder kunnen kijken, net als een MRI-scanner door de huid heen in iemands lichaam kan kijken.”

Nieuwe circuitjes
“De spingolftechnologie staat nog in haar kinderschoenen”, zegt Borst. “Om bijvoorbeeld energiezuinige computers te maken met deze technologie, moeten we eerst kleine circuitjes gaan bouwen om berekeningen uit te voeren. Met onze ontdekking gaat er een deur open: supergeleidende elektrodes maken talloze nieuwe en energiezuinige spingolf-circuitjes mogelijk.” 

“We kunnen nu apparaten ontwerpen op basis van spingolven en supergeleiders, die weinig warmte en geluidsgolven produceren”, vult Van der Sar aan. “Denk aan de spintronica-versie van frequentiefilters of resonatoren, onderdelen die in elektronische schakelingen zitten van bijvoorbeeld mobiele telefoons. Of schakelingen die als transistors of koppelstukjes kunnen dienen tussen de qubits in een quantumcomputer.”