Oxide maakt processor sneller en zuiniger

Wetenschappers van de Universiteit van Amsterdam en de Stichting FOM hebben bepaald wat de minimale tijd is waarbinnen magnetiet elektrisch kan schakelen. Samen met een internationaal onderzoeksteam is het de wetenschappers gelukt om direct te meten dat het maar één picoseconde duurt om dit oxide te laten schakelen van isolerend naar geleidend gedrag. Dat is duizend keer sneller dan de snelste grafeentransistoren.

Deze resultaten kunnen leiden tot betere transistoren, de kleine aan/uit-schakelaars van computerchips. Zo’n innovatie is een eerste stap naar snellere, krachtigere processoren die minder elektriciteit gebruiken. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 29 juli 2013 online in het vooraanstaande tijdschrift Nature Materials.

Magnetiet komt in de natuur voor als mineraal. In het onderzoek werd het blootgesteld aan een krachtige laserpuls van zichtbaar licht. Deze lichtpuls breekt de geordende patronen waarin de elektronen vastzitten. Dat is het begin van een proces waardoor het magnetiet uiteindelijk geleidend wordt. Die eerste stap wordt gevolgd door een ultrakorte, ultraheldere puls van de Linac Coherent Light Source (LCLS) in het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië. 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.

Magnetiet is het eerste metaaloxide waarin een overgang tussen geleidend en isolerend gedrag is waargenomen. Evert Verwey, de latere directeur van het Philips NatLab, was in 1939 de eerste die hierover publiceerde in vakblad Nature. Verwey studeerde wis- en natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam en was lange tijd lid van de bestuur van Stichting FOM. Zijn ontdekking dat de elektronen kunnen vastvriezen in een oxide zoals magnetiet en daardoor elektrische geleiding kunnen uitschakelen, was een primeur. Daarom heet dit proces dat plaatsvindt bij min hondervijftig graden Celsius de Verwey-overgang.

Verwey-overgang

Lang is er gezocht naar het microscopische mechanisme van de Verwey-overgang: hoe de vastgevroren elektronenpatronen smelten en loskomen, zodat de bewegelijke ladingen een metaal opnieuw geleidend maken. In de nieuwe experimenten gebruikten de onderzoekers, onder wie de Amsterdamse fysici Hermann Dürr, Mark Golden en voormalig UvA-promovendus 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 achterelkaar vele snapshots van het materiaal in die eerste smeltfase.

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 elektronische schakelingen gemaakt uit dit oxide.

Kamertemperatuur

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

Schakelen met magnetiet

Een optische laserpuls (rode bliksemstraal van rechtsboven) verbrijzelt de trimerons (groepjes van drie ijzeratomen, blauw) van een isolerend kristal van magnetiet (Fe3O4). Er ontstaan metallische filamenten in het materiaal (rood). Daardoor schakelt het magnetiet binnen één picoseconde (een miljoenste van een miljoenste van een seconde) naar een elektrisch geleidende toestand (Beeld: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory).