Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen bleiben im Gleichschritt

17.10.2008
Physiker des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik verbessern Effizienz der Spinpolarisation – Intelligentere Computerbauteile

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 noch genauer untersuchen. „Wir halten es durchaus für realistisch, dass wir Bedingungen finden, unter denen wir die hundertprozentige Effizienz erreichen können“, so Ramsteiner.

Die Wissenschaftler haben ihre Ergebnisse veröffentlicht unter: Phys. Rev. B 78, 121303 (2008)

Kontakt:
Dr. Manfred E. Ramsteiner,
Paul-Drude-Institut fuer Festkoerperelektronik,
Hausvogteiplatz 5-7,
D-10117 Berlin, Germany,
Tel.: +49-30-20377-338, -444
Fax: +49-30-20377-515

Christine Vollgraf | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie