TU Wien
Spinströme in Simulation erzeugt
Damit Computertaktungen im Terahertz-Bereich möglich werden, sind neue Bauteile und Verfahren nötig, wie z.B. Spintronik-Schaltungen, die den Elektronen-Drehimpuls, den Spin nutzen. Physiker der TU Wien konnten erstmals die Erzeugung großer und ultraschneller Spin-Ströme computersimulieren.
Ein weiterer Vorteil der Spintronik wäre, dass sie mit wesentlich weniger Energie auskommen kann, als die normale Elektronik. Ein Weg zur Erzeugung der möglichen Elektronenspins – Spin up und Spin down - die auch für den Ferromagnetismus verantwortlich sind, ist die Kombination von Magneten mit Halbleitern, erklärt Marco Battiato vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. »Man will auf diese Weise einen Strom von Elektronen mit möglichst einheitlichem Spin erzeugen, den man dann für Spintronik-Schaltungen verwenden könnte. Doch die Effizienz ist sehr gering.«
Marco Battiato und Karsten Held haben an der TU Wien eine dünne Schickt Nickel auf einem Stück Silizium aufgebracht und mit ultrakurzen Laserpulsen beschossen. »Ein solcher Laserpuls hat eine gewaltige Wirkung auf die Elektronen im Nickel«, erklärt Prof. Karsten Held. Sie werden mit ungeheurer Wucht von ihren Plätzen gefegt und bewegen sich Richtung Silizium.
An der Grenze zwischen Nickel und Silizium, entsteht dadurch sehr rasch ein elektrisches Feld, der elektrische Ladungs-Strom hört daher auf zu fließen. Elektronen wandern zwar weiterhin zwischen Nickel und Silizium hin und her, aber dies gleicht sich aus, insgesamt findet kein Ladungstransport mehr statt.
Auch ohne Ladungstransport kann noch der Spin transportier werden: »Im Nickel bewegen sich zunächst sowohl Elektronen mit Spin nach oben wie auch Elektronen mit Spin nach unten«, sagt Karsten Held. »Allerdings haben die Atome des Metalls auf diese beiden Sorten von Elektronen eine unterschiedliche Wirkung. Die Elektronen mit Spin nach oben können sich recht ungehindert bewegen. Die Elektronen mit Spin nach unten haben eine viel größere Wahrscheinlichkeit, an Nickel-Atomen gestreut zu werden.« Gestreute Elektronen ändern ihre Richtung und verlieren ihre Energie. Elektronen, die auf geradem Weg mit hoher Energie zur Grenzschicht zwischen Nickel und Silizium gelangen, haben daher in großer Mehrheit Spin nach oben.
Dieser spinabhängige Unterschied führt dazu, dass schließlich im Silizium Spin-nach-oben dominiert. Es ist gelungen, in den Halbleiter Silizium einen Spinstrom ohne Ladungsstrom zu injizieren. »Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Spin-Polarisierung extrem stark ist – viel stärker als man sie mit anderen Methoden erreichen könnte«, sagt Marco Battiato. »Außerdem lässt sich dieser Spinstrom innerhalb von Femtosekunden erzeugen.« Bislang existieren die Vorgänge nur in der Computersimulation, doch der Laser-getriggerte Spinfluss soll bald experimentell gemessen werden. »Die Spintronik hat gute Chancen, eine Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte zu werden«, hofft Battiato.
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