Talieh Ghiasi
Talieh Ghiasi is ‘de negende van het Excellence Fund’. Per 1 september is zij met steun van dit fonds aangesteld als Assistant Professor bij de afdeling Quantum Nanoscience (QN) van de Faculteit Technische Natuurwetenschappen. Met een eigen onderzoeksgroep zal zij als pionier voor TU Delft het nieuwe onderzoeksveld van de quantum-spintronica verder vormgeven.
Talieh Ghiasi staat bekend als succesvol pionier en experimenteel quantumnanowetenschapper. Na een bachelor en master in vastestoffysica aan de Iran University of Science and Technology, promoveerde zij cum laude in Groningen bij de spintronica-groep van professor Bart van Wees. De titel van haar proefschrift luidde: ‘Proximity-induced spin-orbit and exchange coupling in graphene-based heterostructures’. Daarna volgde een postdoc aan TU Delft bij het Quantum Nanoscience-lab van professor Herre van der Zant, waar zij overstapte van klassieke spintronica naar quantum-spintronica. En onlangs rondde zij een tweede postdoc af aan Harvard University – met ondersteuning van de prestigieuze Rubicon beurs van het NWO. Intussen won Ghiasi de Minerva-prijs 2023 van de Dutch Physics Council (DPC) en de Nederlandse Natuurkundige Vereniging (NNV) voor talentvolle, experimentele, vrouwelijke fysici en heeft ze al bijna 20 publicaties op haar naam staan. Aan deze palmares voegde ze dit jaar nog een NWO Veni-beurs toe.
Het onderzoek van Ghiasi richt zich op een nieuw en zich snel ontwikkelend onderzoeksterrein binnen de quantum-technologie, namelijk spintronica. ‘We gaan nieuwe (quantum-)materialen en verschillende quantum-fenomenen benutten voor spintronica’, belooft Ghiasi.
Spintronica versus reguliere elektronica
In de reguliere elektronica wordt informatie verwerkt met elektronen op basis van hun lading. Naast deze lading hebben elektronen echter nog een andere eigenschap: de spin. En die heeft twee basisoriëntaties: spin-up en spin-down. Deze twee toestanden kunnen bovendien tegelijkertijd voorkomen – een quantum-eigenschap. Hierdoor kun je niet alleen de lading, maar ook de spin van elektronen gebruiken voor informatieverwerking en -opslag. Dat principe vormt de kern van spintronica. Deze technologie heeft een groot potentieel – vergeleken met conventionele elektronica – voor sensortechnologie, gegevensopslag en dataverwerking.
Snellere, stabielere, energie-efficiëntere circuits
Het huidige spintronica-onderzoek richt zich met name op het verfijnen van materialen, het ontwerpen van nieuwe apparaten en het verbeteren van de integratie met bestaande halfgeleidertechnologie. Het onderzoeksgebied van Ghiasi gaat echter een stap verder. Zij richt zich op de toepassing van spintronica in combinatie met andere verschijnselen uit de quantum-mechanica. Ze focust daarbij dus niet alleen op materialen maar ook op de quantum-eigenschappen binnen de materialen. Zo hoopt zij een volgende generatie quantum-spintronische circuits te ontwikkelen. Die dan de potentie hebben om sneller, betrouwbaarder en energie-efficiënter te zijn dan klassieke spintronische of elektronische apparaten. En op den duur wellicht zelfs fouttolerant kunnen worden. Met andere woorden: het koppelen van spintronica aan quantum-mechanica kan geheel nieuwe perspectieven bieden voor informatieverwerking en -opslag.
Maatschappelijke impact: groene ict?
Met haar onderzoek wil Ghiasi een nieuwe standaard ontwikkelen voor spinlogische operaties, die fouttolerante reken- en geheugentechnologie mogelijk maken: een veelbelovende route naar energiezuinige elektronica, geavanceerde geheugensystemen en uiteindelijk quantum-computers. ‘Ons onderzoek beweegt zich op het snijvlak van spintronica, quantum-materialen en quantum-computing,’ zegt Ghiasi ten slotte. ‘De conventionele elektronica heeft een aantal beperkingen, zoals warmteproductie en energieverlies. De ‘next generation’-circuits op basis van quantum-spintronica die wij willen ontwikkelen, zorgen voor snelle, energiezuinige schakelingen die werken met een laagvermogen. Ze hebben dus minder milieu-impact dan de huidige technologie. Dat zou een mooie duurzame oplossing kunnen zijn in ons digitale tijdperk. Bovendien hopen we de kloof te overbruggen tussen fundamenteel onderzoek en praktische toepassingen.’
‘Vliegende start dankzij Excellence Fund’
Ghiasi koos ervoor haar onderzoek voort te zetten aan TU Delft vanwege de goede naamsbekendheid van Delft als centrum voor quantum-technologie en quantum-nanowetenschappen. Deze roem dankt TU Delft met name aan het uitgebreide quantum-ecosysteem, met afdelingen als Quantum Nanoscience en Quantum Technology, de expertise op het gebied van halfgeleiders, supergeleiders, quantum-materialen en quantum-circuits, de geavanceerde faciliteiten en moderne cleanrooms, essentieel voor nanofabricage. ‘Dit experimentele onderzoek vereist ruime financiële middelen voor hightech-apparatuur zoals ultra-lage-temperatuurmeetsystemen of om Van der Waals-heterostructuren te maken op basis van tweedimensionale materialen,’ vertelt Ghiasi. ‘Naast natuurlijk de middelen die nodig zijn om excellente onderzoekers aan te trekken. Dankzij de bijdrage van het Excellence Fund – en dus dankzij de donateurs – kan ik mijn laboratorium voor quantum-spintronica echt een vliegende start geven.’
Doorbraak met quantum-spinstromen in grafeen
Wetenschappers van het Van der Zant-lab, onder wie Talieh Ghiasi, hebben voor het eerst quantum-spinstromen in grafeen aangetoond (het quantum spin Hall (QSH) effect) zonder externe magnetische velden. Het QSH-effect laat elektronen zonder belemmering langs de randen van het grafeen bewegen, terwijl al hun spins in dezelfde richting wijzen (‘up’ of ‘down’). ‘Voor de detectie van quantum-spinstromen in grafeen waren altijd grote externe, magnetische velden nodig, die niet compatibel zijn met elektronische schakelingen en praktisch onmogelijk zijn om op een chip te integreren,’ vertelt Talieh. ‘Dat we nu quantum-spinstromen kunnen realiseren zonder externe magnetische velden, opent de deur naar toekomstige toepassingen van deze quantum-spintronica-apparaten.’ Dit onderzoek is gepubliceerd in het toonaangevende 'Nature Communications'.