Neue Erkenntnisse zur Fortbewegung von Spins

Was die Schnelligkeit von Computern angeht, so stoßen die herkömmlichen Technologien an ihr Limit. Sollen Rechner künftig noch schneller werden, sind daher neue Technologien gefragt.

Forscher des Instituts für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Entdeckung gemacht, die eine mögliche Basis für solche neuartigen Technologien legt – etwa den nahezu stromlosen Rechner.

Der Hintergrund: Elektronen drehen sich um ihre eigene Achse, man spricht dabei vom Spin. Ihn nutzt man etwa in Festplatten, um Informationen zu speichern – der Spin ist somit eine absolut zwingende Voraussetzung der heutigen Elektronik.

Die Molekularelektronik wiederum ist eine Weiterentwicklung der Mikroelektronik, bei der einzelne Moleküle die Bauelemente bilden. Dafür lassen sich beispielsweise Polymere nutzen, also lange Molekülketten.

„Kleine Änderungen in der Struktur lassen sich bei diesen Polymeren sehr, sehr viel einfacher und präziser realisieren als entsprechende Änderungen von traditionellen Halbleitermaterialien“, erklärt Dr. Erik R. McNellis, Gruppenleiter am Institut für Physik der JGU, die Vorteile. Denn die Polymere lassen sich Atom für Atom designen. Was jedoch bisher noch nicht klar war: Wie bewegen sich die Spins in diesen Materialien?

Spins springen zwischen den Polymerketten

„Bislang ging man davon aus, dass sich die Spins mit den Elektronen bewegen – also an den Ladungstransport, sprich den Strom, gekoppelt sind“, sagt McNellis. „Diese Annahme konnten wir nun widerlegen: Die Spins wandern keineswegs nur mit den Elektronen, sondern hüpfen vor allem durch Vibrationen von einer Polymerkette zur nächsten. Das eröffnet eine ganz neue Dimension der Technologie.“

Diese Vibrationen können durch das Design der Moleküle, die Gerätegeometrie sowie die Kontrolle der Temperatur beeinflusst werden. Bei der Untersuchung führten McNellis und sein Team die Simulationen zu den an der Universität Cambridge gemachten Experimenten durch. Die Ergebnisse veröffentlichte das internationale Forscherteam im Magazin Nature Physics.

Schnellere, nahezu stromlose Rechner

Doch worin genau besteht nun die neue Dimension, die diese Entdeckung eröffnet? „Zum einen können wir mit den Spins Informationen übertragen, ohne Strom zu nutzen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel energieeffiziente, ja nahezu stromlose Computer herstellen“, nennt McNellis ein Anwendungsbeispiel.

Wichtig ist das etwa für Integrierte Kreise, die die Bausteine des Gehirns nachahmen und für die künstliche Intelligenz genutzt werden. Aus einer weiteren Perspektive bietet der Einsatz von molekularen Komponenten in der Festkörpertechnologie oft einzigartige Vorteile, wie zum Beispiel organische Leuchtdioden (OLEDs) in Bildschirmen. Dieses Ziel rückt mit dieser Veröffentlichung näher.

In einer vorhergehenden Veröffentlichung konnten die Forscher der JGU bereits zeigen, dass sich die Spins in einem Polymer extrem viel weiter bewegen als in traditionellen Halbleitern – und das zu weit geringerem Herstellungsaufwand und höherem Designpotenzial.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_komet_polymere_spin.jpg
Links: Experimentell aufgenommene (durchgezogene Linie) und theoretisch vorausgesagte (gestrichelte Linie) Spin-Relaxationszeiten. Die Diskrepanz zeigt die begrenzte Kupplung der Bewegung von Ladung und Spin.
Rechts: Vibrationsspektrum von einem Polymer (hier „IDTBT“) mit Spin-übertragenden Modi eingekreist
Abb./©: Sam Schott

Weiterführende Links:
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/ – Interdisciplinary Spintronics Research Group
https://www.spice.uni-mainz.de/ – Spin Phenomena Interdisciplinary Center

Lesen Sie mehr:
http://www.magazin.uni-mainz.de/9828_DEU_HTML.php – JGU-Magazin-Beitrag „Wir müssen raus aus unserer Komfortzone“ (18.01.2019

http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/5907_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Energiesparender Spin-Strom über magnetisches Feld und Temperatur steuerbar“ (20.08.2018)

http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/4857_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Antiferromagnetische Materialien öffnen Tür zum Terahertz-Bereich“ (25.04.2018)

Dr. Erik R. McNellis
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23326
E-Mail: emcnelli@uni-mainz.de
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/team/erik-r-mcnellis/

Sam Schott et al.
Polaron spin dynamics in high-mobility polymeric semiconductors
Nature Physics, 3. Juni 2019
DOI: 10.1038/s41567-019-0538-0
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0538-0