Sneller schakelen dan grafeen

Magnetiet (FE3O4) komt in de natuur voor als mineraal. In 1939 was het de Nederlander Evert Verwey, de latere directeur van het Philips NatLab, die voor het eerst publiceerde over de overgang tussen geleidend en isolerend gedrag in het mineraal. De schakeling heeft daarom de naam Verwey-overgang gekregen. Een internationaal onderzoeksteam met onderzoekers van de UvA en Stichting FOM is er nu in geslaagd vast te stellen hoe snel die elektrische schakeling gaat.

Met een schakeltijd van slechts één picoseconde is Magnetiet tien maal sneller dan de beste grafeentransistoren die op dit moment ontwikkeld worden. Dit betekent dat Magnetiet wellicht de sleutel is tot nog betere transistoren voor computerchips. Zo’n innovatie is een eerste stap naar snellere, krachtigere processoren die minder stroom gebruiken. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag online in het vooraanstaande tijdschrift Nature Materials.

Krachtige laserpuls als starttschot

In het onderzoek werd het Magnetiet blootgesteld aan een krachtige laserpuls van zichtbaar licht. Deze lichtpuls breekt de geordende patronen waarin de elektronen vastzitten. Die breking is het startschot van een proces waardoor het magnetiet uiteindelijk geleidend wordt.

Kort na die eerste stap, volgt een ultrakorte, ultraheldere puls van de Linac Coherent Light Source (LCLS) bij SLAC National Accelerator Laboratory. Met deze röntgenlaser wist het onderzoeksteam voor het eerst de tijdschalen en details van de veranderingen in het magnetiet door de oorspronkelijke laserpuls waar te nemen.

In de nieuwe experimenten gebruikten de onderzoekers, waaronder de Amsterdamse fysici prof.dr. Hermann Dürr, prof.dr. Mark Golden en voormalig UvA-promovendus dr. Sanne de Jong, de ultrasnelle röntgenflitsen van de LCLS om het smelten van de bevroren ladingen in magnetiet te ‘filmen’. Net als in een tekenfilm maakten zij snel vele snapshots van het materiaal in die eerste smeltfase.

Razendsnelle stopwatch

De isolerende toestand van magnetiet blijkt te bestaan dankzij groepjes van drie ijzeratomen in het rooster, trimerons geheten. Als er voldoende fotonen in de eerste laserpuls zitten, wordt een kwart van de trimerons ontmanteld. Dit gebeurt razendsnel: binnen een kwart van een picoseconde. Op de plekken waar het bijzondere patroon van trimerons kapot is, kunnen elektronen vrij bewegen.

Wanneer dit leidt tot een netwerk van metallische filamenten die elkaar raken, schakelt het kristal tussen de ‘uit’ en ‘aan’ geleidingstoestanden. Door de LCLS-laser als  razendsnelle stopwatch te gebruiken, konden de wetenschappers de Verwey-overgang nauwkeurig volgen en de snelheidslimiet voor schakelen vaststellen op één picoseconde (een miljoenste van een miljoenste van een seconde). Die limiet geldt ook voor toekomstige oxide elektronica.

Concrete toepassingen

Dürr en Golden zijn zeer enthousiast over de verkregen resultaten: niet alleen is de puzzel van het mechanisme van de Verwey-overgang in magnetiet opgelost, ook is bewezen dat complexe oxides van overgangsmetalen zoals ijzer in staat zijn hun geleidingstoestand duizend keer sneller te laten schakelen dan de allerbeste grafeentransistoren. Verder onderzoek is gestart om andere oxidematerialen te verkennen, die bij kamertemperatuur soortgelijk schakelgedrag kunnen vertonen, om concrete toepassingen in de informatietechnologie dichterbij te brengen.