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Spins haltbar gemacht

19.12.2016

An der Universität Regensburg beschäftigen sich Physiker in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Sonderforschungsbereich „Spinphänomene in reduzierten Dimensionen (SFB 689)“ mit der Spinelektronik. Eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. John Schliemann, Professur für Theoretische Physik, erforscht seit mehr als zehn Jahren die Strukturen von Spins und hat jetzt herausgefunden, dass persistente Strukturen auch in allgemeinerer Geometrie möglich sind.

In der elektronischen Datenverarbeitung werden typischerweise Elektronen aufgrund ihrer elektrischen Ladung in Halbleiterstrukturen bewegt. Zur Speicherung von Information in magnetischen Medien wird hingegen das magnetische Moment, d. h. der Spin, der Elektronen verwendet.


Die persistente Spinhelix. Die magnetischen Momente (Pfeile) bilden eine beständige schraubenartige Struktur, die sich über die gesamte Elektronenschicht ausdehnt.

Grafik: Michael Kammermeier

Die Spinelektronik möchte beides verbinden und auch den Elektronenspin zur Datenverarbeitung in Halbleitern nutzen. Ein Hauptproblem der Spinelektronik ist die Dekohärenz infolge von Störstellen und Verunreinigungen in Halbleitern, welche durch die sogenannte Spin-Bahn-Kopplung zu einer endlichen "Lebensdauer" der Elektronenspins führt.

In räumlich zweidimensionalen Schichtstrukturen ("Quantentrögen") können für geeignete Systemparameter jedoch langlebige schraubenförmige Spintexturen ("persistente Spinhelizes") entstehen. An der theoretischen Vorhersage solcher Spinstrukturen war die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. John Schliemann bereits im Jahr 2003 unmittelbar beteiligt, die wissenschaftliche Prognose Schliemanns wurde seitdem durch zahlreiche experimentelle Befunde bestätigt.

Die Details solcher Spinhelizes hängen von der Orientierung der zweidimensionalen Schicht relativ zum dreidimensionalen Kristallgitter des Wirtshalbleiters ab. Letzteres ist vom kubischen Typ, so dass man es sich – ähnlich wie beim Kochsalz– aus Würfeln aufgebaut vorstellen kann. Ein Würfel besitzt drei verschiedene Sorten von Spiegelebenen, die den Würfel (und damit das Kristallgitter) ineinander überführen.

Bislang konzentrierten sich die Untersuchungen auf jene drei Symmetrieebenen des zugrundeliegenden kubischen Gitters. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. John Schliemann konnte jedoch vor kurzem zeigen, dass derartige persistente Strukturen auch in allgemeinerer Geometrie möglich sind und hierfür notwendige und hinreichende Bedingungen ableiten. Im Ergebnis kann die Elektronenschicht auch "schief" im Halbleiter liegen und dennoch perfekte Spinkohärenz aufweisen.

Diese Ergebnisse dürften für weitere Belebung der intensiven experimentellen Untersuchungen sorgen, von der Fachzeitschrift Physical Review Letters wurden sie im Dezember 2016 als Titelthema ausgewählt: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.236801)

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. John Schliemann
Universität Regensburg
Professur für Theoretische Physik
Telefon: 0941 943-2037
E-Mail: john.schliemann@physik.uni-regensburg.de

Claudia Kulke | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-regensburg.de/

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