Doorbraak Utrechtse natuurkundigen kan leiden tot snellere computerchips

Met de supergeleiding die Utrechtse natuurkundigen op het spoor zijn, kunnen nieuwe computerchips kleiner en krachtiger worden.  Hierdoor zullen geheugens en harde schijven veel sneller worden.

“Het is compleet nieuw fysica, verschrikkelijk spannend dus,” vertelt Rembert Duine van het Instituut voor Theoretische Fysica. “We zijn nu bezig om zeg maar de Wet van Ohm voor deze circuits op te stellen. Hoewel de elektronica heel simpel is, is dit theoretisch een hels karwei.”

Deze maand nam Duine samen met natuurkundigen in Groningen iets waar dat op het eerste gezicht onmogelijk lijkt. Hij stuurde een signaal door een materiaal waarin alle elektronen stil staan. In elektrische apparaten zijn de elektronen de geladen deeltjes die rond bewegen en voor de werking zorgen. Het materiaal isoleerde echter alle elektriciteit.

“Het signaal dat we erin stuurden en aan de andere kant weer oppikten, plantte zich als een soort rimpeling in het magnetische veld voort. Het materiaal is namelijk magnetisch. De rimpeling plant zich voort als een golf, maar zonder daarbij een elektron te laten trillen of bewegen. Je kunt je voorstellen dat dat natuurlijk een fantastisch effectieve manier kan zijn om signalen door een chip te sturen. Omdat er geen elektronen bewegen, is de weerstand immers marginaal. Weerstandsverliezen zijn het gevolg van botsingen tussen elektronen en andere deeltjes.”

Zulk signaaltransport kan een uitkomst zijn voor de volgende generatie processorchips die door de halfgeleiderindustrie wordt gepland. Deze chips, die het rekencentrum vormen van nog snellere pc's, laptops, tablets of i-phones, vergen een zo dicht op elkaar gepakt elektronisch circuit dat ze dreigen te gaan smelten. De stromen en weerstanden erop worden zo hoog dat het materiaal waarvan ze zijn gemaakt (silicium) het niet meer aan kan.

Het zou een uitkomst zijn als bij het rondsturen van bepaalde signalen van supergeleiding gebruik kon worden gemaakt. In gigantische onderzoeksfaciliteiten zoals de superversneller van CERN maken natuurkundigen ook gebruik van supergeleiding, maar daarvoor moeten ze materialen tot vlakbij het absolute minimum koelen. 'Wij denken supergeleiding te kunnen bereiken bij kamertemperatuur.'

Duine is leider van een landelijk onderzoeksprogramma van de stichting FOM om zulke supergeleiding in chips te bereiken. “Na de demonstratie van deze maand zitten we daar nu al tegen aan. Ik denk dat we eigenlijk alleen maar de signaalsterkte hoeven te verhogen en de dikte van het strookje te verkleinen. Als het inderdaad binnenkort lukt, dan hebben we meteen de allersimpelste manier getoond waarop je supergeleiding kunt bereiken. Ik denk dat het onderzoek dan extra vaart gaat nemen. Dan liggen de toepassingen immers voor het oprapen. Behalve aan krachtiger en kleinere chips die niet smelten, kun je bijvoorbeeld ook denken aan geheugens en harde schijven die veel sneller en minder omslachtig kunnen worden uitgelezen of beschreven.”

Het nieuw ontdekte natuurverschijnsel is een gevolg van de zogeheten magnetische spin van elektronen. Elektronen draaien om hun as en zijn hierdoor allemaal kleine magneetjes. Op de rand van een isolator met een magnetisch veld kun je elektronen laten terugkaatsen, terwijl ze toch hun spin doorgeven. Aan de andere kant van de isolator strookje kun je de spin weer oppikken. Zo wordt het signaal doorgegeven, zonder dat er grote verliezen zijn.

“Bij supergeleiding zorg je er tevens voor dat alle doorgegeven rimpelingen in dezelfde toon gaan zingen.”