Spinntronik är ett stort forskningsområde internationellt. Även i Sverige finns det många forskare som undersöker olika aspekter av tekniken. Professor Venkat Rao arbetar tillsammans med Börje Blomberg med att ta fram material som ska vara halvledande och magnetiska i rumstemperatur. På Chalmers forskar bland annat Janusz Kanski på hur materialegenskaperna för galliummanganarsenid kan förbättras. På Linköpings universitet arbetar forskare under professor Weimin Chen med att undersöka olika materials egenskaper - för sanningen är den att i de flesta fall vet man inte ens varför materialen är magnetiska. - Vi håller tillsammans med Omicron på att ta fram utrustning för att undersöka de magnetiska egenskaperna hos olika material på atomskala. Det kommer att bli ett väldigt värdefullt verktyg för spinntronikutvecklingen, säger Weimin Chen.

- I somras visade en japansk forskargrupp upp hybridtransistorer. De fungerade som vanliga transistorer, men med små hack i kurvorna på diagrammen. De hacken berodde på spinntronikeffekter. Om man kan lägga arbetsområdet för transistorn just vid de hacken så har man i princip en spinntransistor.

Så beskriver Ulf Ekenberg, forskare på KTH state of the art för spinntransistorn. Det kan tyckas litet futtigt efter alla år av ansträngningar världen över.

Spinn är den egenskap hos elektroner som orsakar magnetism. Normalt är riktningen på elektronernas spinn litet huller om buller, men i ett magnetiskt material pekar alla elektroners spinn åt samma håll. Elektroner med annat spinn släpps inte in. Om man kunde kontrollera spinnet på elektronerna skulle man kunna utnyttja magnetiska egenskaper i halvledare.

1990 ställde två forskare vid namn S Datta och B Das upp den modell för en spinntransistor som forskarna än idag försöker realisera. Den bygger på en relativistisk effekt. Om en elektron rör sig i ett elektriskt fält ter det sig för elektronen som om den befann sig i ett magnetiskt fält. Elektronen kommer då att vrida sin spinnriktning. Av detta kan man bygga en barriär i en transistor, där man ser till att axeln för elektronernas spinn vrider sig ett halvt varv i det elektriska fältet när transistorn är stängd.

- Man siktar på att den här avsnörpningseffekten ska vara effektivare än att minska antalet elektroner, som bidrar till strömmen genom transistorn, säger Ulf Ekenberg.

Hur mycket effektivare, med den hårdoptimering som ständigt pågår av traditionell halvledarteknik, är ännu en öppen fråga. Enligt Ulf Ekenberg visar beräkningar att energiåtgången för att switcha en N-spinntransistor blir 40 aJ (40 x 10(upphöjt till)-18 joule), att jämföra med 2 aJ för en normal transistor.

- Men för elektronhål är vridningseffekten mycket starkare än för elektroner. Här kan man få en effektivitet som är flera tusen gånger större än den för elektroner.

Fast först är det många praktiska problem som måste lösas. Det mest uppmärksammade problemet är materialet i source och drain, som bör vara magnetiskt under kontrollerade former och samtidigt halvledande. Elektroniktidningen har tidigare skrivit om det material som professor Venkat Rao på KTH framställt, mangandopad zinkoxid. Ulf Ekenberg tror dock personligen mer på galliummanganarsenid.

- För att få stark spinneffekt vill man ha material med tunga atomer, men i materialet runtom vill man ha lätta atomer. Zinkoxid är svårt att sätta ihop med passande halvledarmaterial, och när man passerar gränsytan mellan materialen är det svårt att behålla spinnet. Galliummanganarsenid har halvbra spinntronikegenskaper, men det går att integrera med traditionell galliumarsenid, vilket är värdefullt, anser Ulf Ekenberg.

Det största problemet med galliummanganarsenid är att det inte är magnetiskt i rumstemperatur. Intensiv forskning pågår för att höja materialets fungerande temperatur, bland annat av Janusz Kanski på Chalmers, men än så länge fungerar materialet bara upp till -100 grader celsius. Fast det gör å andra sidan Ulf Ekenbergs uppskissade transistor också.

- För att få spinnet att slå om ett halvt varv kan det räcka med en spänning på 16 mV, men den termiska energin i rumstemperatur ligger på 25 meV. Det innebär att transistorn skulle kunna slå om spontant.

Ulf Ekenberg har utnyttjat den gittermissanpassning mellan galliumarsenid och aluminiumarsenid som normalt anses försumbar, 0,2 procent, för att optimera spinnvridningseffekten. Med finlir som i vilken riktning transistorn placeras i förhållande till kristallstrukturen kan man enligt hans beräkningar få en P-transistor som är 5000 gånger effektivare än en motsvarande N-transistor.

Än så länge finns Ulf Ekenbergs transistor bara i teorin. Nästa steg blir att mäta upp att de beräknade materialeffekterna stämmer i praktiken. KTH ska konstruera materialet och Linköpings universitet mäta upp det. Därefter blir nästa steg att faktiskt bygga en transistor.

Men därifrån till användbar elektronik som inte kräver kylning av flytande helium är vägen fortfarande lång och full av fallgropar. Kanske är den inte ens framkomlig.

Elias Nordling