Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultraschnelle Kontrolle von Spinströmen durch Laserlicht

12.02.2016

Ein internationales Team mit der Beteiligung Jülicher Wissenschaftler hat einen neuen Effekt entdeckt, mit dem sich Spinströme kontrolliert erzeugen und steuern lassen. Damit haben die Forscher einen weiteren Baustein für sogenannte spintronische Geräte realisiert, die in Computern von übermorgen Datenübertragung in bislang unerreichter Schnelligkeit möglich machen sollen.

Der Elektronen-Spin ist eine quantenmechanische Größe, die eine Art Drehbewegung der Elektronen mit einem entsprechenden Drehimpuls beschreibt. Der Spin kann zwei Orientierungen zu einer vorgegebenen Achse einnehmen – oben oder unten. Sind die Spins nicht in eine zufällige Richtung orientiert, sondern zeigen alle in die gleiche Richtung, fließt zusammen mit dem elektrischen Strom ein Spinstrom, wenn Elektronen in Bewegung sind.


In den zirkular polarisierten Laserpulsen schwingen die Lichtwellen des Lasers mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Achse der Ausbreitungsrichtung. In den zirkular polarisierten Laserpulsen schwingen die Lichtwellen des Lasers mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Achse der Ausbreitungsrichtung. Diese wirken wie ein Magnetfeld auf die Elektronenspins, und richten sie aus - ein Spinstromfluß entsteht.

Copyright: Radboud-Universität Nijmegen

Während elektrische Ströme in alltäglicher Elektronik genutzt werden, bilden Spinströme die Basis für Spintronik. In einem solchen System ermöglichen sie eine schnelle Übertragung, Bearbeitung und Speicherung von Daten.

Durch die Spintronik könnten in Zukunft Quantencomputer Wirklichkeit werden, die die leistungsstärksten Supercomputer von heute bei Weitem übertreffen. Anders als elektrischer Strom kann ein Spinstrom "versiegen", weil sich die Spins mit der Zeit wieder zufällig anordnen. Die kontrollierte Erzeugung und Erhaltung von Spinströmen ist daher essentiell für die spintronische Technik und eröffnet interessante Möglichkeiten für die magnetischer Speichertechnik.

Spinstrompulse in Terahertz-Frequenzen

Zur Erzeugung der Spinströme nutzen die Wissenschaftler die Spin-Bahn-Wechselwirkung – die Interaktion vom Spin der Elektronen und deren Bewegung. Dazu entwickelten sie ein wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus magnetischen und nichtmagnetischen Metallen, die jeweils unterschiedlich starke Spin-Bahn-Wechselwirkung aufwiesen. Angeregt durch einen ultrakurzen Laserpuls – 20 Billiardstel Sekunden –, entstehen in dem Schichtsystem Spinstrompulse in extrem schnellen Terahertz-Frequenzen (Tausend Milliarden Vorgänge pro Sekunde).

"Das Besondere an der neuen Studie ist die Art des verwendeten Laserlichts", erläutert Yuriy Mokrousov, Leiter der Forschungsgruppe "Topological Nanoelectronics" am Jülicher Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation. "Wir haben zirkular polarisierte Laserpulse verwendet, bei denen die Lichtwellen des Lasers um die Achse der Ausbreitungsrichtung schwingen – etwa wie beim Gewinde einer Schraube", erklärt Frank Freimuth vom Peter Grünberg Institut. "Diese wirken wie ein Magnetfeld auf die Elektronenspins, und richten sie aus."

Kontrollierte Erzeugung von Spinströmen

Es ist bekannt, dass zirkular polarisiertes Licht in Halbleitern mit einer starken Spin-Bahn-Wechselwirkung einen Stromfluss anregen kann. Jetzt konnten die Forscher zum ersten Mal solche lichtinduzierten Effekte in für spintronische Bauelemente verwendeten Metallen beobachten, und erstmalig auf einer so extrem kurzen Zeitskala.

"Damit ermöglicht das zirkular polarisierte Licht eine kontrollierte Erzeugung von Spinströmen in dem Schichtsystem", erklärt Freimuth. Die Richtung dieses Stroms kann damit allein durch die Drehrichtung der Schwingungen des Laserpulses, die Magnetisierung der Metalle, und die Anordnung der Schichten bestimmt werden. Die kontaktlose, rein optische Steuerung von Spinströmen könnte in Zukunft spintronische Bauteile ermöglichen, die im ultraschnellen Terahertz-Bereich arbeiten.


Originalveröffentlichung:

Femtosecond control of electric currents in metallic ferromagnetic heterostructures, T.J. Huisman et al.; Nature Nanotechnology. Published online 08 February 2016, DOI:10.1038/NNANO.2015.331
http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2015.331.html


Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut, Bereich Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1 / IAS-1)
Nachwuchsgruppe "Topologische Nanotechnologie"
"Ultraschnelle Spinströme unter Kontrolle gebracht" Pressemitteilung April 2013


Ansprechpartner:

Prof. Dr. Yuriy Mokrousov
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1),
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-4434
E-Mail: y.mokrousov@fz-juelich.de


Dr. Frank Freimuth
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-1608
E-Mail: f.freimuth@fz-juelich.de


Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

Dr. Regine Panknin | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten