Wetenschappers TU Delft brengen spintronica en nanofotonica samen in 2D-materiaal

Nieuws - 25 januari 2018 - Webredactie Communication

Spintronica in materialen van slechts een paar atomen dik is een opkomend veld waarin men, in plaats van de lading van elektronen, de ‘spin’ probeert te gebruiken bij de verwerking van data. Helaas vervalt de spin extreem snel, wat maakt dat de eigenschap vooralsnog moeilijk te gebruiken is in elektronica. Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft, samen met NWO-instituut AMOLF, hebben nu voor het eerst een manier gevonden om de spininformatie op kamertemperatuur om te zetten in een voorspelbaar lichtsignaal. De ontdekking brengt de werelden van spintronica en nanofotonica samen, en kan mogelijk leiden tot de ontwikkeling van een energiezuinige manier van informatieverwerking, bijvoorbeeld in datacentra. De wetenschappers beschrijven hun resultaten in Science.

Centraal in dit onderzoek stond een nano-constructie bestaande uit twee onderdelen: een zeer dunne zilverdraad, en een 2D-materiaal genaamd wolfraam disulfide. De wetenschappers bevestigden het zilverdraadje op een plakje woldraam disulfide van vier atomen dik. Met circulair gepolariseerd licht creëerden ze zogeheten ‘excitonen’ met een bepaalde spinrichting. Welke draairichting de spin had, was in te stellen met de draairichting van het laserlicht.

Oorspronkelijke staat
Excitonen zijn in feite uit hun baan gekaatste elektronen. De laserstraal zorgt er bij deze techniek voor dat de elektronen in een grotere baan rond een positief geladen ‘gat’ worden geschoten, een beetje zoals bij een waterstofatoom. De excitonen die hierbij ontstaan willen terug naar hun oorspronkelijke staat. Bij hun terugkeer naar de kleinere baan om de kern geven ze een energie-pakketje af, in de vorm van licht. Dit licht bevat nu de informatie van de spin, maar het vliegt alle kanten op.

Om het licht met de spininformatie bruikbaar te maken, benutten de Delftse onderzoekers een eerdere vinding. Daarbij toonden ze aan dat, wanneer licht over een nanodraad beweegt, het vlak naast die draad vergezeld wordt door een elektromagnetisch veld dat in de rondte tolt: aan de ene kant van de draad met de klok mee en aan de andere kant tegen de klok in; beweegt het licht in de tegengestelde richting dan klappen de draairichtingen om. De lokale draairichting van het elektromagnetische veld is dus een-op-een verankerd met de richting waarin het licht langs de draad reist. ‘Dit fenomeen gebruiken we als een soort sleutel-slot combinatie’, legt Kuipers uit. Een exciton met een bepaalde draairichting kan alleen maar licht langs de draad uitzenden als de beide draairichtingen overeenkomen.’

Opto-elektronische schakelingen
Op deze manier ontstaat dus een direct verband tussen de spininformatie en de propagatierichting van het licht langs de draad. Het werkt bijna perfect: in 90% van de gevallen wordt de spininformatie in de juiste richting langs de draad ‘gelanceerd’. Fragiele spininformatie wordt op deze manier dus gecontroleerd omgezet in een lichtsignaal, en kan daardoor over veel grotere afstanden worden getransporteerd. Met behulp van de techniek, die op kamertemperatuur werkt, kun je uitstekend nieuwe opto-elektronische schakelingen maken. Kuipers: ‘Daarbij hoeven geen elektronen te stromen en komt er dus ook geen warmte vrij, wat het een heel energiezuinige manier van informatieoverdracht maakt.’
De ontdekking maakt de weg vrij voor de verbinding van de werelden van spintronica en nanofotonica. Kuipers: ‘Deze combinatie kan mogelijk leiden tot groene informatieverwerkingsstrategieën op de nanoschaal.’ 

****

Meer informatie:

Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling, Su-Hyun Gong, Filippo Alpeggiani, Beniamino Sciacca, Erik C. Garnett, L. Kuipers
DOI:10.1126/science.aan8010

Prof. Kobus Kuipers
Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft
L.Kuipers@tudelft.nl
015 27 85116

Jerwin de Graaf (persvoorlichter TU Delft)
J.N.deGraaf@tudelft.nl
015 – 27 81 843