Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spinpolarisierte Elektronen auf Bestellung

13.01.2009
Mit einer Einzelelektronenpumpe liefern PTB-Forscher "abgezählte" Elektronen

Auf der Spintronik ruhen viele Hoffnungen. Sie könnte in Zukunft die Elektronik ablösen, die im Rennen um immer schnellere Computerbauteile irgendwann an ihre Grenzen stoßen muss.

Anders als in der Elektronik, wo ganze Elektronen bewegt werden (die digitale "Eins" bedeutet "auf dem Bauteil ist ein Elektron vorhanden", die Null bedeutet "kein Elektron vorhanden") geht es hier nur um die Manipulation einer bestimmten Eigenschaft der Elektronen, ihres Spins. Dafür benötigt man Bauteile, in die Elektronen einzeln hintereinander eingespeist werden können, und man muss den Spin der einzelnen Elektronen z.B. mit Hilfe von Magnetfeldern manipulieren können.

Beides ist mit einer Einzelelektronenpumpe möglich, wie Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt zusammen mit Kollegen aus Lettland gezeigt haben. Ihre Ergebnisse stellen sie in der aktuellen Ausgabe von Applied Physics Letters vor.

Elektronen können weit mehr, als nur für Stromfluss und digitale Informationen zuständig zu sein. Gelingt es, ihren Spin zu nutzen, dann könnten sich viele neue Möglichkeiten eröffnen. Der Spin ist ein innerer Drehsinn, eine quantenmechanische Eigenschaft, der sich durch eine Drehung um die eigene Achse veranschaulichen lässt. Ein Elektron kann links- oder rechtsherum drehen. Dies erzeugt ein magnetisches Moment. Man kann das Elektron als winzigen Magneten betrachten, bei dem entweder der magnetische Nord- oder Südpol "nach oben zeigt" (Spin-Up oder Spin-Down-Zustand). Die Elektronenspins in einem Material bestimmen seine magnetischen Eigenschaften und sind durch ein äußeres Magnetfeld gezielt steuerbar.

Genau dies ist das Ziel der Spintronik (auch Spinelektronik genannt): einzelne Spins in nanometergroßen Halbleiterbauteilen gezielt zu kontrollieren und zu manipulieren, um sie so für die Informationsverarbeitung nutzbar zu machen. Das hätte gleich mehrere Vorteile: Die Bauteile würden deutlich schneller werden als solche, die auf dem Transport von Ladung beruhen. Außerdem würde der Vorgang weniger Energie benötigen als ein vergleichbarer Ladungstransport mit gleichem Informationsgehalt. Und mit Betrag und Richtung des Spinerwartungswertes kämen noch weitere Freiheitsgrade ins Spiel, die zusätzlich für die Informationsdarstellung genutzt werden könnten.

Um die Spins für die Informationsverarbeitung manipulieren zu können, muss man die Elektronen einzeln mit vorgegebener Spinausrichtung in ein Bauteil einspeisen. Dies ist Forschern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und der Universität von Lettland in Riga nun gelungen. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Applied Physics Letters stellen sie Untersuchungen einer sogenannten Einzelelektronenpumpe vor. Dieses Halbleiterbauteil gibt pro Arbeitstakt genau ein einzelnes Elektron aus. In den vorgestellten Messungen konnte erstmals gezeigt werden, dass eine solche Einzelelektronenpumpe auch in hohen Magnetfeldern zuverlässig betrieben werden kann. Ist ein ausreichend hohes Magnetfeld angelegt, wirft die Pumpe dann pro Taktzyklus genau ein einzelnes Elektron mit vorgegebener Spinausrichtung aus und liefert damit spinpolarisierte Elektronen quasi auf Bestellung. Durch das robuste Design und die hohe Taktfrequenz im Gigaherzbereich ist solch eine spinpolarisierte Einzelelektronenpumpe gerade auch für zukünftige Spintronik-Anwendungen interessant.

Originalartikel
Single-parameter quantized charge pumping in high magnetic fields
B. Kaestner, Ch. Leicht, V. Kashcheyevs, K. Pierz, U. Siegner, and H. W. Schumacher Applied Physics Letters, 94 012106 (2009).
Ansprechpartner
Bernd Kästner, PTB-Arbeitsgruppe 2.53 Niedrigdimensionale Elektronensysteme,
Tel. (0531) 592-2245, E-Mail: bernd.kaestner@ptb.de,
Hans Werner Schumacher, PTB-Arbeitsgruppe 2.53 Niedrigdimensionale Elektronensysteme,

Tel. (0531) 592-2245, E-Mail: hans.w.schumacher@ptb.de

Imke Frischmuth | idw
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/
http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2009/bilder/090112_big.jpg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz
20.11.2017 | Universität Bielefeld

nachricht cw-Wert wie ein Lkw: FH Aachen testet Weihnachtsbaum im Windkanal
20.11.2017 | FH Aachen

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie