18/10/2012

Universität Regensburg

Wie Elektronen die Kurve kriegen - Physiker entwickeln neuartigen Spin-Transistor

Die Nachfrage nach Technologien, die immer schnellere Rechenprozesse ermöglichen oder die Speicherung immer größerer Datenmengen erlauben, ist riesig. Jedoch gerät die konventionelle Elektronik allmählich an ihre Grenzen: Schnellere Transistoren führen zu extrem hohem Energieverbrauch und enormer Hitzeproduktion. Forscher auf der ganzen Welt sind deshalb auf der Suche nach neuen Methoden, die die Elektronik revolutionieren könnten. Große Hoffnungen ruhen auf der Spinelektronik – der Nutzung der Spineigenschaften von Elektronen. Um diese aber für die Datenverarbeitung oder Datensicherung zu nutzen, muss man den Spin gezielt kontrollieren oder manipulieren können.

Einem Forscherteam der Universität Regensburg um Prof. Dr. Dieter Weiss vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik und Prof. Dr. Klaus Richter vom Institut für Theoretische Physik ist nun, zusammen mit Kollegen der Polnischen Akademie der Wissenschaft in Warschau, ein wichtiger Schritt gelungen. Sie haben ein neuartiges Spin-Transistorprinzip entwickelt, das es erlaubt, die Spin-Polarisation des elektrischen Stroms „an“ und „aus“ zu schalten.

In konventionellen Transistoren wird der Stromfluss durch ein elektrisches Feld gesteuert bzw. an- oder abgeschaltet. Dem gegenüber steuerten die Regensburger Forscher in ihrem transistorähnlichen Bauelement – bestehend aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit aufgeprägten ferromagnetischen Streifen – den Stromfluss dadurch, dass sie die Spineigenschaften der Elektronen manipulierten. Der Elektronenspin kann gewissermaßen als Pirouette des Elementarteilchens um die eigene Achse verstanden werden, welches mit einem magnetischen Moment verknüpft ist. Damit weist das Elektron magnetische Eigenschaften ähnlich einer winzigen Kompassnadel auf. Allerdings orientiert sich diese quantenmechanische Version einer Kompassnadel entweder parallel (spin-up) oder anti-parallel (spin-down) zu einem extern angelegten Magnetfeld.

Die Regensburger Physiker können mit ihrem neuen Verfahren nicht nur den elektrischen Stromfluss in ihrem transistorähnlichen Bauelement steuern, sondern auch die Spin-Polarisation des Elektronenflusses – also das Verhältnis zwischen „spin-up-Elektronen“ und „spin-down-Elektronen“ – kontrollieren und verändern. Dafür nutzten die Wissenschaftler ein extern angelegtes Magnetfeld. Im „An-Modus“ bewegen sich die Elektronen ungehindert in der Struktur, während ihre Spinausrichtung einem sich räumlich verändernden magnetischen Streufeld folgt, das von den ferromagnetischen Streifen ausgeht. Im „Aus-Modus“ wird das Magnetfeld so eingestellt, dass die Spins nicht mehr dem rotierenden Streufeld folgen können und auf eine energetisch verbotene Bahn mit entgegen gesetztem Spin „ausweichen“ müssen – der Strom wird reduziert.

Der zugrundeliegende quantenmechanische Effekt lässt sich am Beispiel eines Autos verdeutlichen, das sich um eine scharfe Kurve herum bewegt. Sofern der Wagen langsam genug fährt, bleibt er auf der Straße und kann so die Kurve nehmen („An-Modus“). Wenn der Wagen zu schnell ist, dreht er sich und kann die Fahrt auf der Straße nicht fortsetzen („Aus-Modus“).

Die Untersuchungen der Regensburger Forscher sind heute in der renommierten Fachzeitschrift “Science” erschienen (DOI: 10.1126/science.1221350).

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