Ultraschnelle Kontrolle von Spinströmen durch Laserlicht

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

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.

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

Media Contact

Dr. Regine Panknin Forschungszentrum Jülich

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Lüftung leicht gemacht

Eine einfache Anlage entfernt 90 Prozent potenziell Corona-haltiger Aerosole aus der Raumluft Die Luft in Klassenzimmern und anderen Räumen von infektiösen Aerosolen zu befreien, wird künftig deutlich einfacher. Forschende des…

Krebsforscher trainieren weiße Blutkörperchen für Attacken gegen Tumorzellen

Wissenschaftler am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC) und der Hochschulmedizin Dresden konnten gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam erstmals zeigen, dass sich bestimmte weiße Blutkörperchen – so genannte Neutrophile Granulozyten…

CAPTN Future Zukunftscluster reicht Vollantrag ein

Autonomer öffentlicher Nahverkehr könnte in Kiel Realität werden Im Februar dieses Jahres gab das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Finalisten im Wettbewerb um die Innovationsnetzwerke der Zukunft bekannt….

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close