Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spin-Signale erstmals nutzbar

21.07.2006
Science berichtet: Spintronic rückt in die Nähe - Bochumer Halbleiter in Dortmunder Messungen erfolgreich

Im Rennen um die erste sinnvolle Ausnutzung der Eigendrehung von Elektronen (Spin) ist es Bochumer Physikern um Prof. Dr. Andreas Wieck (Lehrstuhl Angewandte Festkörperphysik) gelungen, sehr ausgefeilte Halbleiter herzustellen, in denen sich in einer Schicht viele kleine Quantenpunkte selbstorganisiert ausbilden. In jedem etwa 20nm kleinen Quantenpunkt sitzt genau ein Elektron. Deren Spinausrichtung lässt sich kontrollieren, manipulieren und auslesen. Messungen an der Universität Dortmund haben nun gezeigt, dass bei optischer Anregung von Gruppen dieser Quantenpunkte die Spinausrichtung lange anhält und somit technisch nutzbar wird. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science.

Winzig kleine drehende Magnete

Zurzeit funktionieren alle elektronischen Geräte von der Armbanduhr bis zum Computer durch Fließen von elektrischen Ladungen, den Elektronen. "Aber Elektronen haben auch andere Eigenschaften: Genau wie Tomaten nicht nur eine Masse haben, sondern auch Farbe, Geschmack und Schwung zum Klatschen gegen unliebsame Zeitgenossen, besitzen Elektronen neben Ladung und Schwung beim Stromfluss den 'Spin'", erklärt Prof. Wieck. Das Elektron rotiert, so wie ein angeschnitten gespielter Fuß- oder Tennisball. Nach den Regeln der Quantenmechanik kann sich ein Elektron um eine Achse nur entweder rechtsherum oder linksherum drehen. "Da das Elektron Ladung trägt, gibt es darum einen kleinen Ringstrom, der ein Elektron wie einen kleinen Magneten aussehen lässt, der mal mit dem Nordpol nach oben, mal mit dem Nordpol nach unten ausgerichtet ist", beschreibt Prof. Wieck. Diese magnetische Eigenschaft soll in künftigen elektronischen Bauelementen wie Transistoren zusätzlich zur Ladungseigenschaft ausgenutzt werden, daher spricht man von der "Spintronic": "Es ist so ähnlich, als ob man seit Jahrzehnten einen Schraubendreher nur zum Hebeln genutzt hat und jetzt feststellt, dass man mit ihm auch Schrauben drehen kann", erläutert Prof. Wieck die Tragweite der Entwicklungen.

... mehr zu:
»Quantenpunkt »Spin »Spinausrichtung

Halbleiterrezepte sind der Schlüssel zum Spin

Im weltweiten Wettlauf um die erste sinnvolle Ausnutzung dieses Spintransportes sind vor allem die Material-Zusammensetzungen der Halbleiter und ihre Herstellungsrezepturen von Interesse, denn nicht in allen Halbleitern lassen sich die Spins durch Magneten ausrichten. Auch wenn sie ihre Ausrichtung zu schnell wieder verlieren oder sie sich technologisch nicht gut als Datenverarbeitungs-Signal (bits "0" und "1" in Computern) nutzen lässt, eignet sich der Halbleiter nicht. "Die Forscher treibt bei der Entwicklung neuer Halbleiter die Hoffnung um, durch Kombinationen von einzelnen Spins weit komplexere Signale als "0" und "1" verarbeiten zu können, was man als 'Quantum Bits' (qubits) in wesentlich leistungsfähigeren Computern ausnutzen könnte", erklärt Wieck.

Spin hält lange vor

Die Forscher am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik haben nun höchstqualitative (reine) Halbleiter hergestellt, die selbstorganisiert in einer Schicht viele kleine Quantenpunkte ausbilden, wobei in jedem etwa 20nm kleinen Quantenpunkt genau ein Elektron sitzt. Deren Spinausrichtung ist einfacher zu kontrollieren, zu manipulieren und auszulesen, als wenn viele Elektronen dicht beieinander liegen würden. "Natürlich ist die Versuchung für Forscher groß, genau einen solchen Quantenpunkt mit einem Elektron als Informationssignal zu verwenden", so Wieck. "Die Erfahrung hat aber gezeigt, dass für die technische Ausnutzung das Signal eines Elektrons viel zu klein ist." Als Konsequenz haben Kollegen der Uni Dortmund (Prof. Dr. Manfred Bayer und Mitarbeiter) an speziell in Bochum hergestellten Proben jeweils viele Quantenpunkte gemeinsam optisch angeregt. Dabei konnten sie feststellen, dass sich deren Spinausrichtungen besonders lange halten - einige Millionstelsekunden - und damit technisch nutzbar sind.

Erstmals nutzbare Spin-Signale

Dieses Ergebnis ist beeindruckend, denn Elektronen stoßen in Halbleitern etwa alle Picosekunde (10-12s) an irgendwelche Störungen. Wenn sich der Spin eine Millionstel Sekunde hält, finden in dieser Zeit etwa eine Million Stöße statt. "Das ist so, wie wenn man einen Läufer um seine senkrechte Achse rotieren lässt und ihn in einen Wald schickt, in dem er mit einer Million Bäumen zusammenstößt, und beim Herauskommen aus dem Wald dreht er sich immer noch um die ursprüngliche Achse, hat also seinen "Spin" noch nicht vergessen", vergleicht Prof. Wieck. "Eine Millionstel Sekunde erscheint uns kurz, aber wenn wir bedenken, dass heutige Computer mit GHz-Takt in dieser Zeit bereits Tausende von Systemtakten ausführen können, ist dies ausreichend lang." Durch Pulsen der Signale lassen sich diese Zustände weiter ausdehnen. Mit dieser Technik stehen erstmals technisch verwertbare Spin-Signale zur Verfügung, die die Spintronic in greifbare Nähe rücken.

Titelaufnahme

A. Greilich, D. R. Yakovlev, A. Shabaev, Al. L. Efros, I. A. Yugova, R. Oulton, V. Stavarache, D. Reuter, A. Wieck, and M. Bayer: Mode Locking of Electron Spin Coherences in Singly Charged Quantum Dots. In: Science 21 July 2006, 313: 341-345, DOI: 10.1126/science.1128215

Weitere Informationen

Prof. Dr. Andreas Wieck, Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-27626, E-Mail: andreas.wieck@rub.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Berichte zu: Quantenpunkt Spin Spinausrichtung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
28.06.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

EUROSTARS-Projekt gestartet - mHealth-Lösung: time4you Forschungs- und Entwicklungspartner bei IMPACHS

28.06.2017 | Unternehmensmeldung

Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Scheinwerfer-Dimension: Volladaptive Lichtverteilung in Echtzeit

28.06.2017 | Automotive