Wenn Elektronen wellenreiten

Wenn Elektronen durch einen Halbleiter wandern, transportieren sie ihre Ladung. Für noch leistungsfähigere elektronische Bauelemente wollen Physiker einen weiteren Zustand der Elektronen manipulieren und transportieren – deren Spin.

Der Spin ist eine Art quantenmechanischer Drehimpuls um die eigene Achse, der nur zwei Zustände kennt – „up“ und „down“. Sind die Drehachsen aller Elektronen in einem Ensemble parallel und drehen sich alle in die gleiche Richtung, dann ist das Ensemble spinpolarisiert. Würden sich alle Elektronenspins umgekehrt drehen, hätte das Ensemble den entgegengesetzten Spin. Gibt es keine Vorzugsrichtung ist die durchschnittliche Spinpolarisation gleich Null. Ziel dieser Spintronik genannten Forschungsrichtung ist es, spinpolarisierte Elektronen zu erzeugen, zu manipulieren und zu transportieren.

Insbesondere der Transport von spinpolarisierten Elektronen birgt viele Schwierigkeiten. Da ist zunächst das Eigenmagnetfeld, das immer entsteht, wenn Ladungsträger wie Elektronen sich bewegen. Es lenkt den Spin der einzelnen Elektronen im Laufe des Weges aus seiner ursprünglichen Vorzugsrichtung, bis irgendwann überhaupt keine durchschnittliche Spinpolarisation mehr vorliegt. Ein weiteres Problem ist die Wechselwirkung der Elektronen mit Löchern und mit Störstellen, wodurch der Spin ebenfalls verschwindet. Physiker des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik schicken nun spinpolarisierte Elektronen auf Wanderschaft durch eine spezielle Halbleiterstruktur, einen sogenannten Galliumarsenid-Quantenfilm und messen, wie sich die Spinpolarisation im Laufe der Zeit verändert. Sie verwenden dafür eine raffinierte Methode, die das Erzeugen und Messen der Elektronen in einem Versuchsaufbau ermöglicht – die sogenannte magnetooptische Kerr-Rotations-Methode.

Zunächst trifft dabei ein ultrakurzer Anrege-Laserpuls auf den Quantenfilm und erzeugt Elektronen und Löcher. Das Licht des Lasers ist zirkular polarisiert; das heißt, dass die Lichtwellen nicht nur auf und ab, sondern auch kreisförmig um die Achse ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen. Solches Licht erzeugt im Quantenfilm spin- polarisierte Elektronen. Diese werden von einer akustischen Welle transportiert, wobei Elektronen und Löcher räumlich weit voneinander getrennt sind – die einen sammeln sich im Wellental, die anderen im Wellenberg. „Das verhindert, dass sie schnell wieder rekombinieren, wodurch der Spin verloren gehen würde“, erläutert Dr. Alberto Hernández-Mínguez vom PDI. Die Forscher können so die Lebenszeit der Spinpolarisation erheblich verlängern. Zur Detektion dieses Phänomens wird ein zweiter, linear polarisierter Abtast-Laserpuls verwendet, der mit zeitlicher Verzögerung bezüglich des Anrege-Laserpulses auf die von der akustischen Welle transportierten Elektronen trifft. Da die Lichtpolarisation durch spinpolarisierte Elektronen gedreht wird, können die Physiker ermitteln, wie groß die Spinpolarisation des Elektronen-Ensembles nach unterschiedlichen Entfernungen vom Ausgangspunkt ist. „Wir können so den zeitlichen Verlauf des Abklingens der Spinpolarisation genau verfolgen“, so Hernández-Mínguez.

Die Forscher haben senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen ein Magnetfeld angelegt und eine weitere interessante Eigenschaft des Spins verfolgen können: Ein äußeres Magnetfeld führt dazu, dass der Spin sich um das Magnetfeld dreht. Sie konnten im zeitlichen Verlauf beobachten, dass die Elektronen auf ihrem Weg von ca. 20 Mikrometern zweimal ihre Polarisationsrichtung ändern und am Ende noch etwa 10 Prozent Spinpolarisation aufweisen.

Appl. Phys. Lett. 97, 242110 (2010)

Kontakt:
Dr. Paulo Ventura Santos, Tel.: 030-20377 221, paulo.santos@pdi-berlin.de
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Hausvogteiplatz 5-7, 10117 Berlin