Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen-Spins unter Strom – Neues Verfahren zur Bestimmung der Spin-Bahn-Wechselwirkung

17.07.2014

Ein internationales Forscherteam der Universitäten in Regensburg und Sendai (Japan) hat ein neues Verfahren entwickelt, um die Stärke der Spin-Bahn-Wechselwirkung in Halbleitern zu bestimmen.

Die Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Kraft, die auf den Spin – den Eigendrehimpuls von Elektronen – einwirkt. Die Kontrolle dieser Kraft ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung einer Spinelektronik, die in Zukunft die Wirkungsweise von Transistoren revolutionieren könnte.

Die Ergebnisse der Forscher wurden vor wenigen Tagen in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht (DOI 10.1038/nnano.2014.128).

In herkömmlichen Transistoren nutzt man ausschließlich die Ladung von Elektronen, um den Stromfluss zu kontrollieren und auf diese Weise logische Operationen auszuführen. Dem gegenüber versucht man in der Spinelektronik, auch den Eigendrehimpuls der Elektronen – ihren Spin – zu nutzen, indem man die Spineigenschaften der Elektronen manipuliert.

Der Elektronen-Spin kann als Pirouette des Elementarteilchens um die eigene Achse verstanden werden, wobei die Bewegung mit einem magnetischen Moment verknüpft ist. Demnach weist das Elektron Eigenschaften ähnlich einer Kompassnadel auf. Die Quantenphysik lässt bei dieser winzigen Kompassnadel allerdings nur zwei Ausrichtungen – parallel (spin-up) oder anti-parallel (spin-down) zum Magnetfeld – zu.

In Halbleitern ergeben sich nochmals besondere Bedingungen: Hier unterliegen Elektronen wegen der Krsitallgitterstruktur der Halbleiter oder aufgrund einer von außen angelegten elektrischen Spannung dem Einfluss von elektrischen Feldern.

Die elektrischen Felder wirken wiederum auf die sich bewegenden Elektronen-Spins wie Magnetfelder, an denen sich diese ausrichten (Spin-Bahn-Felder). Die damit verbundene Kraft wird deshalb auch als Spin-Bahn-Wechselwirkung bezeichnet. Für die Forschung eröffnet dies die Möglichkeit, die Elektronen-Spins in einem eigentlich nicht-magnetischen Halbleiter über „effektive“ Magnetfelder zu kontrollieren oder zu beeinflussen.

Vor diesem Hintergrund hat das Forscherteam um Prof. Dr. Klaus Richter vom Institut für Theoretische Physik der Universität Regensburg in Kooperation mit Experimentalphysikern um Prof. Dr. Junsaku Nitta von der Tohoku University in Sendai (Japan) eine Methode entwickelt, um die jeweilige Spin-Bahn-Wechselwirkung und die damit verknüpften Magnetfelder näher zu bestimmen.

Ausgangspunkt war die Idee, die Elektronen in ultradünnen Drähte mit einem Querschnitt von etwa 10 nm mal 700 nm – gewissermaßen entlang einer Linie – einzusperren. Die damit erzwungene, praktisch eindimensionale Bewegung der Elektronen führt dazu, dass die Magnetfelder eine spezifische Ausrichtung annehmen, die auf die Stärke der Spin-Bahn-Wechselwirkungen rückschließen lässt.

Spin-Bahn-Felder sind für eine Halbleiter-basierte Spinelektronik Fluch und Segen zugleich: Sie erlauben zum einen die Steuerung und Kontrolle der Spinausrichtung, können aber andererseits auch dazu führen, dass eine ursprüngliche Spinpolarisation der Ladungsträger durch die Felder zunichte gemacht wird. Daher kann es von Vorteil sein, die Wirkung der Spin-Bahn-Felder zu minimieren und im besten Fall gänzlich „auszuschalten“.

Das ist möglich, wenn sich die beiden Ursachen, die Kristallgittereffekte von Halbleitern und die Felder durch eine von außen angelegte Spannung, in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben. Das Team aus Regensburg und Sendai konnte nachweisen, dass dies durch ein geschicktes Justieren der externen Spannung möglich ist. Das Resultat ist eine maßgeschneiderte helixförmige Rotationsbewegung der Elektronen-Spins, während sich die Elektronen durch die Nanodrähte bewegen.

Titel der Originalpublikation:
A. Sasaki, S. Nonaka, Y. Kunihashi, M. Kohda, T. Bauernfeind, T. Dollinger, K. Richter und J. Nitta, „Direct determination of spin-orbit interaction coefficients and realization of the persistent spin helix symmetry“, Nature Nanotechnology (2014)
http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2014.128

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Klaus Richter
Universität Regensburg
Institut für Theoretische Physik
Tel.: 0941 943-2029
Klaus.Richter@physik.uni-regensburg.de

Alexander Schlaak | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-regensburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Energieeffiziente Reinigung von Industrieabgasen
27.02.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

nachricht Energieproduzierende Fenster stehen kurz bevor
23.02.2017 | University of Minnesota / Università degli Studi di Milano-Bicocca

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik