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Ultraschnelle Spinstrompulse unter Kontrolle gebracht

08.04.2013
Auf dem Weg zur Terahertz-Datenverarbeitung

Ein internationales Forscherteam hat eine Möglichkeit gefunden, extrem kurze und schnelle Pulse aus Spinströmen kontrolliert zu erzeugen. Mithilfe solcher Pulse im Terahertz-Frequenzbereich könnten die Computer von übermorgen Daten schneller und energieeffizienter verarbeiten als heutige Rechner. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ nachzulesen (DOI: 10.1038/NNANO.2013.43).


Skizze: Laserpulse führen einem magnetischen Eisenfilm (grün) Energie zu. Dies erzeugt Spinstrompulse in der zweiten, nichtmagnetischen Schicht des Systems (blau), weil Elektronenspins in Abhängigkeit von ihrer Orientierung (orange Pfeile: „Up“, blaue Pfeile: „Down“) unterschiedlich häufig in diese Schicht übertreten. Forschungszentrum Jülich

Unsere Anforderung an die Rechengeschwindigkeit von Computern steigt stetig, ebenso der weltweite Energieverbrauch durch die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologien. Einen vielversprechenden Ansatz, langfristig schnellere und energieeffizientere Rechner zu verwirklichen, könnte die Spintronik bieten. Sie sieht elektronische Bauteile vor, bei denen die Eigenrotation (der „Spin“) von Elektronen zusätzlich zu ihrer Ladung zur Informationsverarbeitung genutzt wird.

Dabei ist es erforderlich, Spininformation in kürzester Zeit innerhalb einer Recheneinheit transportieren zu können. Dies geschieht in kleinen Paketen, Pulsen von Strömen mit nur einer Spinsorte. Dazu ist es unter anderem nötig, diese Spinströme mit einer exakt kontrollierten Frequenz und Geschwindigkeit zu erzeugen.

Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Jülich, dem Fritz-Haber-Institut Berlin, der Universität Uppsala, der Georg-August-Universität Göttingen sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin ist dies durch die gezielte Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen Metallen gelungen. Die von ihnen erzeugten Spinstrompulse erreichten extrem schnelle Terahertz-Frequenzen (1 THz = 1012 Hz = 1012 Vorgänge pro Sekunde).

Das internationale Wissenschaftlerteam belichtete ein nur wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus Metallen mit 20 Femtosekunden kurzen Laserpulsen – das entspricht einer 20 Billiardstel Sekunde. Die Lichtblitze führen den Elektronen in einer Eisenschicht Energie zu, wodurch ein Teil der Spins kurzzeitig in die Nachbarschicht aus Gold oder Ruthenium wechselt – ein Spinstrompuls entsteht.

„Die Wahl ist auf Gold und Ruthenium gefallen, weil sich Elektronen in diesen beiden Materialien unterschiedlich gut bewegen können und wir deshalb unterschiedliche Spinstrompulse erwartet haben“, erläutert Dr. Frank Freimuth, Mitglied der „Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe“ am Jülicher Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation. Der theoretische Physiker hat gemeinsam mit seinen Kollegen aus Jülich und Uppsala dazu beigetragen, die experimentellen Messergebnisse quantitativ verständlich zu machen.

Die Messungen basieren darauf, dass sich die Spinstrompulse mithilfe eines komplexen physikalischen Phänomens, des inversen Spin-Hall-Effekts, in herkömmliche elektrische Strompulse umwandeln lassen, die gemessen werden können. Um daraus die Spinstrompulse zu errechnen, nutzten die Forscher unter anderem ein in Jülich entwickeltes Computerprogramm. Die Daten zeigten wie erwartet kürzere Terahertz-Pulse in der Goldschicht, in der die Elektronen eine höhere Beweglichkeit als im Ruthenium haben.

„Unsere Ergebnisse zeigen einen gangbaren Weg auf, um ultraschnelle Bauteile mittels Spintronik zu entwickeln“, freut sich Prof. Yuriy Mokrousov, Leiter der „Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe“. Die Gruppe plant nun, die Materialauswahl weiter zu verfeinern, um aus den Spinstrompulsen noch stärkere Terahertz-Signale zu erzeugen. Außerdem planen die Forscher, die Physik der Spinströme bei ultrahohen Frequenzen weiter zu erforschen mit dem Ziel, den Verlauf der Terahertz-Signale besser einstellen zu können.

Originalveröffentlichung:
Terahertz spin current pulses controlled by magnetic heterostructures;
T. Kampfrath, M. Battiato, P. Maldonado, G. Eilers, J. Nötzold, S. Mährlein, V. Zbarsky, F. Freimuth, Y. Mokrousov, S. Blügel, M.Wolf, I. Radu, P. M. Oppeneer and M. Münzenberg;
Nature Nanotechnology, published online: 31 March 2013; DOI: 10.1038/NNANO.2013.43
Abstract: http://www.nature.com/nnano/journal/v8/n4/abs/nnano.2013.43.html

Weitere Informationen:
Zur Pressemitteilung:
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2013/13-04-08NNano_Spinstroeme.html

Institutsbereich „Quanten-Theorie der Materialien“ (PGI-1/IAS-1): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-1/DE/Home/

Universität Uppsala, Department of Physics and Astronomy: http://katalog.uu.se/orgInfo/?orgId=X208

Pressemitteilung der Universität Göttingen „Neue Methode zur Speicherung ultrakurzer Strompulse entwickelt“ vom 1. April 2013:

http://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?cid=4432

Fritz-Haber-Institut Berlin:
http://www.fhi-berlin.mpg.de/pc/KAMPFRATH/welcome.html
Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Berlin vom 1. April 2013 „Ultraschnelle Spin-Manipulation bei Terahertz-Frequenzen“: http://www.helmholtz-berlin.de/forschung/grossgeraete/mi-synchrotron-radiation

Ansprechpartner:
Prof. Yuriy Mokrousov, Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1), Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-4434
y.mokrousov@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-6048
a.wenzik@fz-juelich.de

Das Forschungszentrum Jülich...
...betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung und stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart, vor allem zur künftigen Energieversorgung. Mit seinen Kompetenzen in der Materialforschung und der Simulation und seiner Expertise in der Physik, der Nano- und Informationstechnologie sowie den Biowissenschaften und der Hirnforschung entwickelt es die Grundlagen für zukünftige Schlüsseltechnologien. Das Forschungszentrum leistet Beiträge zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Energie und Umwelt, Gesundheit sowie Informationstechnologie. Mit fast 5000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört es als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft zu den großen interdisziplinären Forschungszentren Europas.

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

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