Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronenspins an Halbleiteroberfläche getrennt

29.05.2012
Neues Wissen über die Spins von Elektronen in Halbleitermaterialien: In einer aktuellen Publikation beschreiben Physiker der Uni Würzburg erstmals die Spin-Architektur einer ultradünnen Metallschicht auf einem Halbleiter. Das bedeutet einen weiteren Schritt hin zu extrem leistungsfähigen Computern.

Deutlich schnellere Computer wären möglich, wenn sich der Spin der Elektronen bei der Datenverarbeitung als Informationsträger nutzen ließe. Was der Spin ist? Der Spin verleiht dem Elektron über seine Ladung hinaus auch magnetische Eigenschaften. „Das kann man sich so vorstellen, als ob jedes Elektron einen winzig kleinen Elementarmagneten trägt, wie eine Kompassnadel“, sagt der Würzburger Physiker Jörg Schäfer.


Würzburger Physiker haben die Spin-Architektur einer Halbleiteroberfläche bestimmt. Dazu wurden die Elektronen durch Lichtanregung aus dem Material herausgelöst, so dass ihre Spin-Orientierung vermessen werden konnte. Grafik: Philipp Höpfner

Um den Spin für die Elektronik nutzen zu können, also um eine „Spintronik“ zu realisieren, müsste es gelingen, die in einem Halbleiterchip fließenden Elektronen nach ihrem Spin-Zustand zu ordnen, also ihre Spitzen gleich auszurichten. Diese Formation müssten die elementaren Magnetnadeln beibehalten, wenn sie als so genannte Spinströme auf die Reise durch das elektronische Bauteil geschickt werden.

Spin-Trennung klappt ohne Magnetfelder durch einen Trick

Seit langem ist bekannt, dass man die Spins durch Magnetfelder beeinflussen kann. Doch für Bauteilanwendungen wäre das vollkommen unpraktikabel. Daher wenden die Festkörperphysiker einen ausgeklügelten Trick an: Auf einen halbleitenden Festkörper wird eine ultradünne Metallschicht aufgedampft, die nur eine Atomlage dick ist. Darin sortieren sich die Elektronen von ganz allein in zwei Gruppen mit entgegengesetzter Magnetnadelorientierung.

Dieser Effekt fällt umso stärker aus, je schwerer die verwendeten Metallatome sind. „Diese automatische Spin-Trennung wollten wir in einem modellhaften Experiment erzeugen und genauer untersuchen“, erklärt Professor Ralph Claessen. Als besonders schweres Metall wählten die Würzburger Physiker Gold, das sie hauchfein auf ein Halbleiterplättchen aus Germanium aufdampften.

Enges Zusammenspiel von Theorie und Experiment

Die experimentellen Befunde zum Spin-Muster entsprechen sehr genau den Vorhersagen, welche die Würzburger Physik-Theoretiker um Professor Werner Hanke entwickelt haben. „Wir können die Spin-Anordnung im Halbleiter mathematisch modellieren und mit modernsten Rechnern sehr genaue praktische Vorhersagen machen", erläutert Hanke.

Experimentell nachgewiesen wird das Spin-Muster mit der Technik der Photoemission. Diese Messungen wurden am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz durchgeführt. Die Halbleiteroberfläche mit der Goldschicht wird dabei mit dem besonders intensiven Röntgenlicht eines Synchrotrons bestrahlt. Dadurch lösen sich Elektronen und fliegen – in Abhängigkeit von ihrem Spin – unter verschiedenen Winkeln aus der Probe heraus und werden mit Detektoren nachgewiesen.

Zwei Spinausrichtungen erstmals klar belegt

„Wir haben eine starke Aufspaltung der Spins in zwei Gruppen mit entgegengesetzter Orientierung der Magnetnadeln sowie ein spezielles Spin-Muster gefunden“, so Jörg Schäfer. Demnach zeigen alle Spins entweder aus der Oberfläche heraus oder in sie hinein. „Der Verdienst dieser Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment ist es, erstmals das dreidimensionale Spin-Muster aufgeklärt zu haben“, sagt Ralph Claessen. Die Ergebnisse zeigen vor allem deutlich, dass die Trennung der Leitungselektronen nach ihrem Spin gut funktioniert. Damit lassen sie sich separat auf die Reise durch ein Metall schicken. Für die Spintronik ist das neues und wichtiges Grundlagenwissen.

Dieser Nachweis hat die Herausgeber des Fachjournals „Physical Review Letters“ regelrecht begeistert: Der Forschungserfolg aus Würzburg wird dem Fachpublikum vom Herausgeber als „Editor’s Suggestion“ zur Lektüre besonders empfohlen.

Arbeit im Rahmen einer DFG-Forschergruppe

Entstanden ist die Publikation aus der Würzburger Forschergruppe 1162, die seit 2009 mit rund drei Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Die Gruppe untersucht elektronische Quanteneffekte in Nanostrukturen; Ralph Claessen ist ihr Sprecher.

“Three-Dimensional Spin Rotations at the Fermi Surface of a Strongly Spin-Orbit Coupled Surface System”, P. Höpfner, J. Schäfer, A. Fleszar, J. H. Dil, B. Slomski, F. Meier, C. Loho, C. Blumenstein, L. Patthey, W. Hanke, and R. Claessen, Physical Review Letters 108, 186801 (2012), DOI 10.1103/PhysRevLett.108.186801

Kontakt

Prof. Dr. Ralph Claessen, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 31-85732, claessen@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie