Spannende natuurkunde in de elektronica van morgen

Prof.dr. Bert Koopmans - Fysica van Nanostructuren

Stak men vroeger een floppy van een paar megabyte in de computer om documenten als deze mee op te slaan, tegenwoordig kun je losse harde schijven kopen met een miljoen (!) keer zoveel opslagruimte. De inzichten die aan deze ontwikkeling ten grondslag liggen zijn het werkveld van Bert Koopmans. Hij bestudeert de effecten van magnetisme in piepkleine structuren, zoals je die vindt in computergeheugens, maar die ook uiteindelijk hun weg kunnen vinden in auto’s, ziekenhuizen of zonnecellen.

Eigenlijk bevindt Bert Koopmans zich voortdurend in een andere wereld. De hoogleraar van de faculteit Technische Natuurkunde onderzoekt de natuur op de nanoschaal. Een nanometer is een miljardste meter. Om een beeld te krijgen: als je zelf enkele nanometers groot zou, is een haar zo dik als de Mount Everest hoog is. Bizar klein dus.  Op die piepkleine lengteschalen spelen andere natuurwetten een rol, wetten die we in onze belevingswereld niet kennen. ‘Spannende fysica’, vindt Koopmans.

Zwaartekracht

Zijn passie voor het vak steekt hij niet onder stoelen of banken. Vol enthousiasme vertelt hij over de uitdagingen waar hij en zijn groep zich aan zetten. In een moordend tempo, dat wel, dus je moet goed opletten wil je zijn uitleg bij kunnen houden. Hij werkt intussen al bijna 15 jaar aan de TU/e; sinds 2003 leidt hij de groep Fysica van Nanostructuren (FNA). Hij won een Vici-subsidie in 2004 en hij maakt deel uit van het project NanoPhotonics dat eind vorig jaar een Zwaartekrachtsubsidie van 19,9 miljoen euro kreeg. Verder leidt hij het Center for Nanomaterials (cNM) en zit hij in het bestuur van NanoLabNL, het Nederlands consortium dat open samenwerking stimuleert tussen universiteiten en kennisinstellingen op het gebied van nanotechnologie.

Nanotechnologie, dat is in feite waaraan je zijn onderzoek kunt labelen. Al richt Koopmans zich met name op magnetisme. “We kijken naar de interacties die een rol gaan spelen als je elektrische stromen en magnetisme op de nanoschaal bij elkaar brengt. Daar proberen we nieuwe inzichten uit te halen, en richten ons op problemen die je ermee kunt oplossen.”  

Al is het werk van Koopmans vooral fundamenteel van aard, de toepassing is niet ver weg. Dan moeten we met name denken aan computergeheugens en andere elektronica. Niet vreemd, want magnetische materialen worden van oudsher gebruikt als basis voor het opslaan van data. Van de inmiddels antieke cassettebandjes en floppy disks tot de huidige harde schijven in iedere pc.

Spintronica

Het vakgebied van Koopmans is in zekere zin relatief nieuw. Je kunt zeggen dat het geboren is met de ontdekking van het zogeheten ‘GMR-effect’ (afkorting van het Engelse Giant Magnetoresistance) eind jaren tachtig. Simpel gezegd beschrijft dit effect hoe de elektrische weerstand door een uit laagjes opgebouwd magnetisch materiaal afhangt van de richting van het magneetveld door de laagjes.

Wat dit effect met name interessante maakte was dat hierbij voor het eerst op een functionele manier gebruik werd gemaakt van een bijzondere eigenschap van elektronen, de ‘spin’. Dit is een soort intern kompas van een deeltje, wat reageert op een magneetveld. De tak van sport om die spin te gebruiken om elektronica te maken, en waarvan het GMR-effect de aftrap gaf, staat bekend als ‘spintronica’.

Sindsdien heeft de spintronica een grote vlucht genomen. Het GMR-effect zag in 1997 voor het eerst toepassing in commerciële harde schijven, waarmee de opslaggrootte in de jaren die volgden fors steeg. In 2005 werd wederom een nieuwe truc met de spin van elektronen gevonden om de opslag in een harde schijf sterk te vergroten, bekend als ‘tunneling’ – een bijzonder quantummechanisch effect waarbij je deeltjes op magische wijze van de ene naar de andere plek kunt verplaatsen.

Eens in de zoveel wordt zo’n grote vondst gedaan, aldus Koopmans. En die leidt dan weer zo’n vijf tot tien jaar later tot nieuwe producten. Koopmans zit dus aan het begin van dat traject. Zoekende naar nieuwe concepten, nieuwe effecten, nieuwe trucs om oplossingen te geven voor de huidige uitdagingen in, vooral, de elektronica.

Racetrack geheugen

De laatste jaren maakt Koopmans furore met een interessant nieuw type geheugen, het zogeheten racetrack geheugen, bedacht door IBM-onderzoeker Stuart Parkin (die in 2008 een eredoctoraat van TU/e ontving). Het idee is dat je data opslaat in hele dunne banen, die je kunt laten voortdrijven door elektrische stroom. Het uitlezen en opslaan van de data gebeurt op één plek, dus de gewenste data wordt telkens naar deze sensor ‘geracet’.

Omdat dit geheugen geen bewegende onderdelen bevat – alleen de data zelf is in beweging – kennen deze geheugens minder slijtage. Daarnaast zijn ze in potentie sneller, zuiniger en hebben ze meer opslagdichtheid dan de huidige computergeheugens. Deze maand ronden twee promovendi hun onderzoek naar deze geheugens af met een aantal belangrijke verbeteringen, met mooie artikelen in grote bladen als Nature Materials en Nature Communications. “Het zijn spannende ontwikkelingen”, geeft Koopmans toe.

Bekijk een uitleg van het racetrack geheugen in onderstaand filmpje.

Auto’s, biosensoren en trekvogels

Interessant is dat zijn opgedane inzichten niet alleen voor harde schijven interessant kunnen zijn. Zo werkt hij samen met NXP aan sensoren voor in de auto. ‘In een auto zitten veel sensoren”, zegt Koopmans, “en veel van die sensoren werken met magnetisme omdat het de meest efficiënte manier is om op afstand iets af te lezen.” De sensor die gebruikt wordt om data uit te lezen van harde schijven zou je dus zomaar kunnen terugvinden onder je motorkap.

Maar ook in de gezondheidszorg komen de inzichten van Koopmans van pas. Bijvoorbeeld voor biosensoren om bepaalde eiwitten in iemands bloed te kunnen meten. Koopmans heeft hierbij bijvoorbeeld samen gewerkt met de groep van Menno Prins (Molecular Biosensors for Medical Diagnostics) aan nieuwe sensoren, waarbij magnetische deeltjes worden ingezet om de gewenste eiwitten zichtbaar te maken.

Daarnaast werkt Koopmans samen met René Janssen en Peter Bobbert om spintronica te combineren met organische materialen. Dat kan relevant zijn voor bijvoorbeeld organische zonnecellen, OLEDs of stickerachtige sensoren in verpakkingen. Interessant daarbij is ook dat de processen die Koopmans in organische elektronica onderzoekt een parallel hebben met de manier waarop trekvogels zich oriënteren op het aardmagnetisch veld. Niet lang geleden is ontdekt dat de quantummechanica – en de ‘spin’ van elektronen – hierbij een rol spelen. Wie weet draagt Koopmans zijn steentje bij aan het oplossen van dit mysterie?

NanoAccess

Aan de apparatuur zal het binnenkort niet meer moeten liggen, want er wordt momenteel een lab met compleet nieuwe apparatuur gevuld. “We zijn anderhalf jaar geleden verhuisd naar het gebouw Cascade, en die verhuizing hebben we kunnen gebruiken om een slag te maken met onze apparatuur.” Een extra zetje in de rug kreeg Koopmans twee jaar geleden met de honorering van een NWO-groot-subsidie van bijna twee miljoen euro.

Met als titel ‘NanoAccess’ wil Koopmans een wereldwijd uniek clusterapparaat bouwen waarmee je verschillende handelingen tegelijk kan uitvoeren in hetzelfde apparaat. Zo kun je bijvoorbeeld driedimensionale structuren schrijven met een elektronenbundel, om daarna in een ander deel van het apparaat metingen te doen aan het elektrontransport met een bijzondere scanning tunneling microscope die gebruik maakt van vier onafhankelijke nanocontacten. De bedoeling is dat het apparaat ook voor andere doeleinden wordt gebruikt; NXP, Holst Centre en DIFFER hebben al aangegeven gebruik te willen maken. De officiële opening staat gepland voor begin 2015.

Niet te voorspellen

Op de vraag of we de inzichten van Koopmans ooit gebruikt gaan zien in onze toekomstige mobiele elektronica houdt hij zich op de vlakte. “Een vernieuwend concept dat groots in Nature of Science staat, biedt geen garantie dat het ook echt gebruikt gaat worden. Heel vaak zie je dat het concept ontwikkeld is voor een bepaald probleem, maar dat de weg ernaartoe heel lang was en er in de tussentijd al een andere oplossing gevonden is. En wordt je concept misschien gebruikt voor iets waar je helemaal niet aan gedacht had.”

Het is daarom volgens Koopmans lastig te voorspellen waarin het werk uit zijn lab gebruikt zal gaan worden. “Meestal wordt parallel aan verschillende oplossingen gewerkt. Zo leken er bij de introductie van het MRAM-geheugen in 2005 flinke bottlenecks te zijn en leek het geen lang leven beschoren. Maar de laatste jaren wil iedereen hier plots weer bij zijn.” Die onzekerheid over het lot van zijn vondsten vindt hij ook het spannende eraan. “We werken aan compleet nieuwe fysica, waarbij we de afstemming zoeken met wat er speelt, en toch kun je compleet verrast worden door hoe oplossingen heel anders gebruikt worden.”

Dat inzicht is overigens in de politiek maar beperkt aanwezig, vindt Koopmans. “Politici denken dat grensverleggend onderzoek zich heel makkelijk laat maken. Dat je het probleem kent, een oplossing voorstelt, waarna al helemaal vastligt wat je gaat doen. Dat is geen wetenschap, dat is productontwikkeling.”

Terug naar het overzicht