Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Neues vom Spin-Hall-Effekt

nächste Meldung

Warum der Spin-Hall-Effekt so spannend ist? Weil er in Halbleiter-Bauelementen Magnetisierungen erzeugt, ohne dass hierfür der aufwändige Einsatz externer Magnetfelder oder magnetischer Materialien nötig ist.

Derartige Manipulationen sind eine Grundvoraussetzung für die so genannte Spin-basierte Elektronik. Von dieser bislang nicht realisierten Technologie erhoffen sich Wissenschaftler unter anderem deutlich leistungsstärkere Computer oder Fortschritte bei der Verschlüsselung von Daten.

Publikation in „Nature Physics“

Ihren aktuellen Forschungserfolg beschreiben die Würzburger Physiker in der Top-Zeitschrift „Nature Physics“. Beteiligt an der Publikation sind die Teams der Würzburger Physik-Professoren Hartmut Buhmann, Werner Hanke, Ewelina Hankiewicz und Laurens W. Molenkamp.

Was macht den Spin-Hall-Effekt aus? In einem halbleitenden Bauelement lassen sich die Ladungsträger mit unterschiedlicher Magnetisierung zu den gegenüberliegenden Rändern des Elements lenken, ohne dass hierfür ein äußeres Magnetfeld nötig ist. Die unterschiedliche Magnetisierung rührt hier von einer unterschiedlichen Spin-Ausrichtung elektrischer Ladungsträger her. Sie wird bewirkt von der so genannten Spin-Bahn-Kopplung. Sie ist darauf zurückzuführen, dass ein in einem elektrischen Feld bewegtes Teilchen (Ladungsträger) immer auch ein magnetisches Feld spürt. Als Folge davon baut sich ein magnetisches Feld auf.

Dieser Effekt konnte in Halbleitern bisher nur mit optischen Methoden nachgewiesen werden. Dem Würzburger Forschungsteam aus experimentell und theoretisch arbeitenden Physikern jedoch ist es nun erstmals gelungen, den Effekt mit rein elektrischen Messungen zu zeigen. Das ermöglicht eine Nutzung in integrierten elektronischen Bauelementen.

Umkehrung physikalischer Effekte

Beim Nachweis des Spin-Hall-Effektes machten die Forscher vom Prinzip der Umkehrung physikalischer Effekte Gebrauch: Fließt auf der linken Seite einer H-förmigen Halbleiterstruktur ein elektrischer Strom, dann werden die Ladungsträger mit unterschiedlicher Magnetisierung (Spin) voneinander getrennt und sammeln sich am linken bzw. am rechten Rand der Struktur.

Wegen des Ungleichgewichts in der Spin-Verteilung kommt es am Rand des Querbalkens der H-Struktur zu einem reinen Spin-Strom. Dieser erreicht den rechten Schenkel der H-Struktur und bewirkt nun – als Umkehrung des Spin-Hall-Effekts – eine Trennung der Ladungsträger: Die Elektronen werden in eine Richtung senkrecht zum Spin-Strom gelenkt und können in Form einer Spannung gemessen werden.

H-förmige Halbleiter verwendet

Zu dieser Erkenntnis kamen die Physiker mit H-Strukturen, die circa 200 Nanometer breit und nur wenige Mikrometer lang sind. Als Halbleitermaterial verwendeten sie eine Schichtung aus Quecksilber-Tellurid und Quecksilber-Cadmium-Tellurid. In diesem Materialsystem ist der Spin-Hall-Effekt besonders stark ausgeprägt.

Im gleichen Materialsystem haben die Würzburger Physiker im Jahr 2007 bereits den Quanten-Spin-Hall-Effekt nachgewiesen. Dieser tritt nur dann auf, wenn im Material keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Der Spin-Hall-Effekt wird dagegen bei elektrisch leitendem Material sichtbar.

Nachweis des Quanten-Spin-Hall-Effektes (Pressemitteilung von 2007): http://www.uni-wuerzburg.de/sonstiges/meldungen/single/artikel/physiker-f/

„Evidence for the ballistic intrinsic spin Hall effect in HgTe nanostructures”, C. Brüne, A. Roth, E. G. Novik, M. König, H. Buhmann, E. M. Hankiewicz, W. Hanke, J. Sinova & L. W. Molenkamp, Nature Physics, online publiziert am 2. Mai 2010, doi: 10.1038/nphys1655

Kontakt

Physikalisches Institut der Universität Würzburg

Prof. Dr. Laurens W. Molenkamp, T (0931) 31-84925, laurens.molenkamp@physik.uni-wuerzburg.de

Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Universität Würzburg

Prof. Dr. Werner Hanke, T (0931) 31-85714, hanke@physik.uni-wuerzburg.de

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

nächste Meldung

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...