Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spin-Ströme in topologischem Isolator

04.06.2012
Wieder sorgen Würzburger Physiker für neue Erkenntnisse in der Spintronik: In extrem dünnen topologischen Isolatoren haben sie spin-polarisierte Ströme nachgewiesen, welche die Theorie seit sechs Jahren vorhersagt. Zugleich zeigen sie einen Weg der Anwendung für neuartige Rechner.

Elektronen haben einen inneren Drehimpuls, Spin genannt. Dadurch sind sie nicht nur Ladungen, sondern auch kleine Magnete, die sich ausrichten lassen. Beim alltäglichen Einsatz von Computern sind jedoch so viele Elektronen-Magnete zufällig in alle Richtungen ausgerichtet, dass sie sich am Ende gegenseitig auslöschen.


Die Randströme eines topologischen Isolators dienen als Quelle für spin-polarisierte Elektronen. Grafik: Luis Maier


Elektronenmikroskopische Aufnahme des Schaltkreises. In Rot das Halbleiter-H, in Gelb die Gate-Kontakte. Das Bild zeigt einen Ausschnitt von etwa drei auf drei Mikrometer. Foto: Luis Maier

Ließe sich der Spin aber kontrollieren, so könnten konventionelle Rechner auf einen Schlag viel schneller werden: Bei der so genannten Spintronik wird die magnetische Ausrichtung der Elektronen zur Informationsübertragung genutzt, und das erzeugt viel weniger Wärme, als das bisher nötige ständige An- und Ausschalten des Stroms.

Metall und Isolator gleichzeitig: Topologische Isolatoren

Eine viel versprechende Materialklasse für die Realisierung spintronischer Bauelemente sind die topologischen Isolatoren. Sie leiten nur an ihrer Oberfläche Strom, nicht jedoch im Inneren. In dünnen Schichten einiger dieser Materialien besteht der Randstrom aus genau zwei Kanälen, in denen sich einzelne Elektronen bewegen. Die Flussrichtung in den beiden Kanälen ist entgegengesetzt, genau wie die Spin-Ausrichtung. Dieses Verhalten nennt man den Quanten-Spin-Hall-Effekt (QSH), in Anlehnung an den Quanten-Hall-Effekt. Entdeckt wurde der QSH-Effekt 2007 in der Arbeitsgruppe von Professor Laurens Molenkamp an der Universität Würzburg.

Physiker aus dem Lehrstuhl von Laurens Molenkamp und der Arbeitsgruppe von Professorin Ewelina Hankiewicz zeigen jetzt mit Forschern der Stanford University aus Kalifornien, wie sich die Spin-Polarisation der Kanäle experimentell nachweisen lässt. Gleichzeitig stellen sie ein elektrisches Bauteil vor, das spin-polarisierte Ströme erzeugen und messen kann. Damit besitzt es grundlegende Fähigkeiten, die für die Spintronik nötig sind. Diese Ergebnisse sind in der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Von der Theorie zum Experiment: Mit einem Nano-H zum Erfolg

Bis vor kurzem war die Spin-Polarisation der Kanäle nur mathematisch beschrieben; experimentell konnte nur indirekt auf sie geschlossen werden. „Der Quanten-Spin-Hall-Effekt kann aber nur unter der Voraussetzung existieren, dass wir tatsächlich einen spin-polarisierten Transport haben“, sagt Arbeitsgruppenleiter Hartmut Buhmann aus dem Lehrstuhl Molenkamp.

Dem Würzburger Physiker Christoph Brüne gelang der experimentelle Nachweis nun mit einem geschickten Versuchsaufbau. Den Erfolg brachte eine Nanostruktur in Form eines H. Sie besteht aus Quecksilber-Tellurid und besitzt an jedem Arm eine zusätzliche Elektrode aus Gold.

Damit ist es möglich, einen Arm der H-Struktur mit einer angelegten Gate-Spannung in den Quanten-Spin-Hall-Zustand zu versetzen. Der andere Arm sorgt an der Verbindungsstelle, dem Querstrich des H, für ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Spin-Strömen. Dadurch können nur Elektronen mit einer magnetischen Ausrichtung extrahiert und gemessen werden. Diese Funktion lässt sich auch umdrehen, so dass man einen spin-polarisierten Strom einspeisen und eine im QSH-Material erzeugte Spannung messen kann.

Herausgeber von „Nature Physics“ heben die Arbeit hervor

Die nötige Theorie, um die Messwerte eindeutig als Spin-Ströme zu identifizieren, stammt zusammen mit aufwändigen Simulationen aus der Gruppe von Ewelina Hankiewicz und ihren Kollegen in der Arbeitsgruppe von Professor Shou-Cheng Zhang in Stanford: „Es war nicht einfach zu berechnen, wie die Spin-Kanten-Ströme in das Metall des zweiten Arms gelangen“, sagt die Professorin.

Doch am Ende wurde die Mühe belohnt: Die Herausgeber von „Nature Physics“ haben der Würzburger Arbeit sogar einen „News & Views“-Übersichtsartikel gewidmet. „Das kommt einer Auszeichnung gleich und stuft unsere Ergebnisse als besonders wichtig ein“, erklärt Laurens Molenkamp.

Nächste Forschungsschritte: Konzept erweitern

Der von den Würzburger Physikern vorgestellte Aufbau funktioniert bislang nur bei extrem tiefen Temperaturen, bei minus 271 Grad Celsius. Um ihn auch bei Raumtemperatur nutzen zu können, müssen erst noch geeignete Materialien gefunden werden. Für die Zukunft planen die Würzburger Forscher zunächst, das Konzept zu einem Spin-Transistor zu erweitern und so alle nötigen Zutaten für eine Anwendung in der Spintronik bereitzustellen.

Topologische Isolatoren bergen noch mehr Potenzial: Sie sind für weitere exotische Entdeckungen gut, wie zum Beispiel Majorana-Fermionen – das sind Teilchen, die gleichzeitig ihr Antiteilchen sind. Kein Wunder also, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in diesem Jahr ein neues Schwerpunktprogramm „Topologische Isolatoren“ einrichten will.

Veröffentlichungen zum Thema

Christoph Brüne, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Ewelina M. Hankiewicz, Laurens W. Molenkamp, Joseph Maciejko, Xiao-Liang Qi & Shou-Cheng Zhang: Spin polarization of the quantum spin Hall edge states; Nature Physics 8, 486–491 (2012), doi:10.1038/nphys2322

Yi Zhou & Fu-Chun Zhang: Quantum spin Hall effect: Left up right down; Nature Physics 8, 448–449 (2012), doi:10.1038/nphys2335

Markus König, Steffen Wiedmann, Christoph Brüne, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi and Shou-Cheng Zhang: Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells; Science 318, 766-770 (2007), doi: 10.1126/science.1148047

Kontakt

Prof. Dr. Laurens Molenkamp, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 31-84925, molenkamp@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics