Spinpolarisatie: hoe de draairichting van elektronen een nieuwe wereld aan technologie opent

Bijgewerkt: 3 september 2026 · 6 min leestijd

Elke elektron in een stroomdraad heeft niet alleen een lading, maar ook een eigenschap die lijkt op een heel klein kompasnaaldje: de spin. Deze spin kan maar twee kanten op wijzen, die we voor het gemak "omhoog" en "omlaag" noemen. In een gewoon stukje koperdraad wijst ongeveer de helft van de elektronen omhoog en de andere helft omlaag; het is een rommelige mix zonder voorkeursrichting. Spinpolarisatie betekent dat er een overwicht ontstaat: meer elektronen wijzen bijvoorbeeld omhoog dan omlaag. Zo'n stroom van overwegend gelijk gerichte spins heet spin-gepolariseerd.

Waarom is dat interessant? Omdat gewone elektronica alleen let op lading: stroom aan of uit, een nul of een één. Spin voegt daar een extra "draaiknop" aan toe. Stel je een fabrieksband voor waar dozen niet alleen vol of leeg kunnen zijn, maar ook nog een sticker "noord" of "zuid" kunnen dragen. Die extra sticker geeft meer mogelijkheden om informatie op te slaan of te verwerken, vaak met minder energieverbruik. Dit idee vormt de basis van het onderzoeksveld spintronica, dat al in harde schijven en geheugenchips zit en mogelijk ook een rol speelt in de kwantumcomputers van de toekomst.

Wat is het precies?

Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen: een intrinsiek, ingebouwd "draaimoment" dat niet verandert, in tegenstelling tot bijvoorbeeld snelheid. Elke spin gedraagt zich als een minuscuul magneetje met een van twee mogelijke richtingen. In de meeste materialen, zoals koper of silicium, is er geen voorkeur: spin-op en spin-omlaag komen precies even vaak voor, en de nettomagnetisatie is nul.

In magnetische materialen zoals ijzer, kobalt of nikkel ligt dat anders. Daar lijnen de meeste elektronenspins zich vanzelf in dezelfde richting op, wat het materiaal überhaupt magnetisch maakt. De mate van spinpolarisatie wordt uitgedrukt als het percentage verschil tussen het aantal spin-op- en spin-omlaag-elektronen die aan geleiding meedoen. Een polarisatie van honderd procent zou betekenen dat werkelijk alle geleidende elektronen dezelfde spinrichting hebben; in de praktijk komen materialen daar nooit helemaal aan, maar sommige, zoals bepaalde ijzerlegeringen, komen met tachtig tot negentig procent al aardig in de buurt.

Deze spin-gepolariseerde stroom kan je injecteren in een ander materiaal, bijvoorbeeld een niet-magnetische halfgeleider. De spinrichting blijft dan nog een tijdje "onthouden" voordat botsingen en verstrooiing de informatie weer door elkaar husselen; dit noemt men spinrelaxatie. Hoe langer de spin intact blijft, oftewel hoe langer de spinrelaxatietijd, hoe bruikbaarder het materiaal is voor spintronische toepassingen.

Een cruciaal fenomeen is het zogeheten magnetoweerstandseffect. Stapel je twee dunne magnetische laagjes op elkaar met een niet-magnetisch tussenlaagje, dan hangt de elektrische weerstand van die stapel af van of de twee magnetische laagjes dezelfde kant op wijzen (lage weerstand) of tegengesteld (hoge weerstand). Dit heet giant magnetoresistance (GMR), of bij een isolerend tussenlaagje tunnel magnetoresistance (TMR). Door de magnetisatierichting van één laagje vast te zetten en die van het andere te laten "lezen" welke richting een extern magneetveldje heeft, kun je met dit principe data uitlezen of opslaan.

Wat wil men ermee bereiken?

Het grote doel van spintronica is geheugen en logica die niet, zoals gewoon werkgeheugen (RAM), hun data verliezen zodra de stroom uitvalt. Omdat de magnetische toestand van een spin-gepolariseerd laagje blijft staan zonder voortdurende stroomtoevoer, belooft spin-gebaseerd geheugen "non-volatile" te zijn: instant aan, geen opstarttijd, en potentieel veel zuiniger dan huidige chips.

Daarnaast hoopt men op snellere schakeltijden en compactere opslag met een hogere dichtheid, omdat spin-informatie op zeer kleine schaal (enkele atomen) kan worden vastgelegd. Een verdergaande ambitie is het gebruik van een enkele elektronspin als kwantumbit (qubit) voor kwantumcomputers: de twee spinrichtingen fungeren dan als de 0 en 1 van een kwantumsysteem, met als voordeel dat spins in silicium relatief lang hun kwantumtoestand kunnen vasthouden. Ook wordt onderzocht of spin-oscillators kunnen dienen als bouwsteen voor neuromorfe chips, die qua werking losjes geïnspireerd zijn op hersencellen.

Voorbeelden uit de praktijk

GMR-ontdekking (1988) en Nobelprijs (2007). Albert Fert in Frankrijk en Peter Grünberg in Duitsland ontdekten onafhankelijk van elkaar het GMR-effect. Hun werk leverde hen in 2007 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op en legde de theoretische basis onder vrijwel alle latere spintronica.

GMR-leeskoppen in harde schijven (vanaf 1997). IBM was een van de eersten die het GMR-effect toepaste in de leeskoppen van harde schijven. Dit maakte het mogelijk om veel kleinere magnetische domeinen betrouwbaar uit te lezen, wat de opslagcapaciteit van harde schijven in korte tijd enorm liet groeien.

Commerciële MRAM-chips (sinds 2006). Everspin Technologies, ontstaan als spin-off van Freescale (voorheen onderdeel van Motorola), brengt sinds ongeveer 2006 magnetoresistief RAM (MRAM) op de markt: geheugenchips die data vastleggen via magnetische in plaats van elektrische lading, en dus hun inhoud behouden zonder stroom.

Embedded MRAM in chipfabricage (rond 2019). Zowel Samsung als TSMC hebben spin-transfer-torque MRAM (STT-MRAM) geïntegreerd in hun geavanceerde chipprocessen, als vervanger voor bepaald cachegeheugen op de chip zelf, met als voordeel lager energieverbruik bij gelijkblijvende snelheid.

Spin-qubits in silicium (TU Delft/QuTech, rond 2018). De onderzoeksgroep van Lieven Vandersypen aan QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, boekte rond 2018 belangrijke vooruitgang met het laten samenwerken van twee elektronspins in silicium quantum dots als rekenbouwsteen voor een kwantumcomputer.

Hoe ver is de techniek?

Het ontwikkelstadium loopt sterk uiteen per toepassing. GMR- en TMR-sensoren zijn volledig volwassen: ze zitten al decennia in vrijwel elke harde schijf en in tal van magnetische sensoren. Dit is de meest bewezen en wijdst toegepaste vorm van spinpolarisatie in gebruik.

MRAM-geheugen is commercieel verkrijgbaar, maar bezet vooralsnog een niche: toepassingen waar betrouwbaarheid en het direct vasthouden van data belangrijker zijn dan absolute prijs of capaciteit, zoals industriële besturingssystemen en ruimtevaart. Embedded MRAM in reguliere chipproductie wint wel terrein als alternatief voor bepaalde geheugenlagen op de chip.

Concepten zoals "racetrack memory", in 2008 voorgesteld door onderzoeker Stuart Parkin (destijds bij IBM, later bij het Max Planck Institute for Microstructure Physics in Halle), waarbij magnetische domeingrenzen met een spin-gepolariseerde stroom langs een nanodraad worden verschoven om extreem compact geheugen te maken, zijn nog altijd experimenteel en niet gecommercialiseerd.

Spin-qubits voor kwantumcomputers bevinden zich nog vroeg in het laboratoriumstadium. De coherentietijd, ofwel hoelang een qubit zijn kwantumtoestand behoudt, verbetert gestaag, maar foutenpercentages liggen doorgaans nog boven de drempel die nodig is voor grootschalige, foutbestendige kwantumcomputers. Een terugkerend obstakel in het hele veld is dat spininformatie snel kan wegvallen door verstrooiing, vooral bij kamertemperatuur, en dat veel van de meest veelbelovende effecten alleen goed werken bij zeer lage temperaturen of in zeer zuivere, defectvrije materialen.

Wie werken eraan?

Op het gebied van geheugenchips zijn Everspin Technologies, Samsung, TSMC, Toshiba en Western Digital/Seagate belangrijke spelers, de laatste twee vooral vanwege hun harde-schijftechnologie. IBM heeft een lange onderzoeksgeschiedenis in spintronica, onder meer via het werk van Stuart Parkin, en Intel investeert in spin-qubittechnologie voor kwantumcomputing.

In Nederland is TU Delft, samen met onderzoeksinstituut QuTech, een van de wereldwijde koplopers in onderzoek naar spin-qubits. De Radboud Universiteit Nijmegen, met de groep van natuurkundige Theo Rasing, is internationaal bekend om onderzoek naar het ultrasnel manipuleren van magnetisatie met laserpulsen, ook wel all-optical switching genoemd. Ook de Universiteit Twente heeft een actieve onderzoeksgroep op het gebied van spintronica.

Internationaal zijn verder onder meer het Max Planck Institute for Microstructure Physics in Halle (Duitsland), de RWTH Aachen en diverse Japanse universiteiten, waaronder Tohoku University, prominent aanwezig in spintronica-onderzoek. Landen als de Verenigde Staten, Duitsland, Japan en Nederland behoren tot de belangrijkste onderzoeksnaties op dit terrein.