Elektronen bleiben im Gleichschritt

Physiker des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik verbessern Effizienz der Spinpolarisation

21.10.2008 - Deutschland

Elektronen mit einer bestimmten magnetischen Ausrichtung, dem sogenannten Spin, lassen sich effizient in Halbleitermaterialien "injizieren". Das haben Experimente am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) gezeigt. Die Ergebnisse der Forscher sind ein weiterer Schritt in Richtung "intelligentere" Bauteile für Computer. Diese - Spintronik genannte - Technologie nutzt zum Speichern von Informationen aus, dass Elektronen neben ihrer Ladung noch eine weitere Eigenschaft haben - den Spin. Der ergibt sich aus einer Art Eigenrotation der Elektronen und kann entweder "up", also nach oben, oder "down" nach unten zeigen.

Kleiner, schneller, billiger - so lautete bisher die Divise bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen. Gerade der Verkleinerung der Baulelemente sind aber Grenzen gesetzt. "Spätestens bei der Größe eines Moleküls ist Schluss", sagt Manfred Ramsteiner vom PDI. Und weiter: "Um noch effizientere Rechner zu bauen, brauchen wir schlauere Bauteile." Dass sich der Spin von Elektronen für solche Bauteile ausnutzen lässt, weiß man schon seit Jahren. Die Information "0" oder "1", was bedeutet Strom fließt nicht oder fließt, kann in diesen Bauteilen zusätzlich über die Information "Spin up" oder "Spin down" gesteuert werden. Dadurch ergibt sich eine größere Informationsmenge pro Bauteil, die zum Teil auch beim Ausschalten des Rechners erhalten bleibt; man spricht von einer nichtflüchtigen Information.

Bis jetzt ist es jedoch noch nicht gelungen, spinpolarisierte Elektronen vollständig in Halbleitermaterialien zu bekommen. Eine Möglichkeit ist die Spininjektion. Ramsteiner erläutert, wie das funktioniert: "Eine ferromagnetische Substanz wird auf ein Halbleitermaterial aufgebracht. Legt man eine Spannung an, wandern die polarisierten Elektronen in einer Richtung durch den Halbleiter. Am Ende kann man messen, ob die Polarisation der Elektronen erhalten bleibt." Im Idealfall beträgt sie annähernd 100 Prozent. "Dann können solche Bauteile besonders zuverlässig arbeiten", so Ramsteiner. Denn ist die Effizienz kleiner, fällt es den Bauteilen schwerer, zwischen der Information "up" oder "down" zu unterscheiden, ähnlich einer Lampe die man nicht ausschalten, sondern nur dimmen kann.

Hier liegt derzeit auch das Hauptproblem bei der Entwicklung der Spinbauteile: Grenzflächen und andere Störungen im Halbleiter führen dazu, dass die Elektronen nicht mehr im Gleichschritt marschieren: Einige behalten auf ihrem Weg durch den Halbleiter den gewünschten Spin bei, andere werden jedoch "umgedreht". Mit einer speziellen Materialkombination konnten die PDI-Physiker nun erreichen, dass Elektronen mit einer Effizienz von fünfzig Prozent der gewünschten Spinpolarisation am Ende des Halbleiters ankommen. Das bedeutet, drei Viertel der Elektronen haben den "richtigen" Spin. Bei Null Prozent Effizienz hätten genauso viele Elektronen die Ausrichtung "up" wie "down", es gäbe also keine Vorzugsausrichtung.

Als ferromagnetische Komponente wählten die Wissenschaftler eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Silizium, eine sogenannte Heusler-Legierung. Diese hat vielversprechende Eigenschaften. "Die Legierung, die wir verwenden, ist aller Wahrscheinlichkeit nach ein Halbmetall. Das bedeutet, die Elektronen sind nach der Magnetisierung vollständig in einer Richtung polarisiert", so Ramsteiner. Damit haben die Forscher den Vorteil, dass sie alle Elektronen im Gleichschritt ins Rennen schicken können - im Gegensatz zu anderen ferromagnetischen Materialien, die eine geringere Vorzugsorientierung aufweisen. Wo die Elektronen auf ihrem Weg durch die Grenzfläche und den Halbleiter dann durcheinander geraten, wollen die Forscher nun genauer untersuchen. "Wir halten es durchaus für realistisch, dass wir Bedingungen finden, unter denen wir die hundertprozentige Effizienz erreichen können", so Ramsteiner.

Originalveröffentlichung: Phys. Rev. B 78, 121303 (2008).

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