Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spinströme: Riesengroß und ultraschnell

23.05.2016

Mit einer neuen Methode der TU Wien lassen sich extrem starke Spinströme herstellen. Sie sind wichtig für die Spintronik, die unsere herkömmliche Elektronik ablösen könnte.

In unseren Computerchips wird Information in Form von elektrischer Ladung übertragen. Elektronen oder andere Ladungsträger werden von einem Ort zum anderen transportiert. Seit Jahren forscht man an Bauteilen, die statt mit der Ladung der Elektronen mit ihrem Drehimpuls, dem Spin, arbeiten. Gegenüber der herkömmlichen Elektronik hat diese neue Herangehensweise, die „Spintronik“, große Vorteile, sie kann mit viel weniger Energie auskommen.


Der Laserpuls trifft auf Nickel (grün). Elektronen, deren Spin nach oben zeigt (rot) wechseln in das Silizium (gelb). Aus dem Silizium wechseln Elektronen beider Spinrichtungen zurück.

TU Wien

Allerdings ist es schwierig, überhaupt einen Spinstrom ohne Ladungsstrom zu erzeugen, wie man ihn in der Spintronik benötigt. Physiker der TU Wien schlagen nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ eine neue Methode vor, die in extrem kurzer Zeit gewaltige Spinströme produziert. Der Trick liegt in der Verwendung ultrakurzer Laserpulse.

Der Magnet auf dem Halbleiter

Der Spin eines Elektrons kann zwei verschiedene Zustände annehmen – man spricht von „Spin nach oben“ und „Spin nach unten“. Dieser Elektronenspin ist auch für den Ferromagnetismus verantwortlich. Wenn sich viele Elektronenspins in einem Metall in dieselbe Richtung ausrichten, dann entsteht ein Magnetfeld. Daher ist es naheliegend, auch für die Erzeugung von Spinströmen Ferromagneten zu verwenden.

„Es gibt Versuche, Magneten mit Halbleitern zu kombinieren und einfach einen Strom durchzuleiten“, sagt Marco Battiato vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Man will auf diese Weise einen Strom von Elektronen mit möglichst einheitlichem Spin erzeugen, den man dann für Spintronik-Schaltungen verwenden könnte. Doch die Effizienz ist sehr gering.“

Marco Battiato und Karsten Held forschten an der TU Wien an einem anderen Weg: Sie simulierten am Computer, wie sich die Elektronen verhalten, wenn man eine dünne Schicht Nickel auf einem Stück Silizium aufbringt und dann mit starken ultrakurzen Laserpulsen beschießt. „Ein solcher Laserpuls hat eine gewaltige Wirkung auf die Elektronen im Nickel“, erklärt Prof. Karsten Held. Sie werden mit ungeheurer Wucht von ihren Plätzen gefegt und bewegen sich Richtung Silizium.

An der Grenze zwischen Nickel und Silizium, entsteht dadurch sehr rasch ein elektrisches Feld, der elektrische Ladungs-Strom hört daher auf zu fließen. Elektronen wandern zwar weiterhin zwischen Nickel und Silizium hin und her, aber dies gleicht sich aus, insgesamt findet kein Ladungstransport mehr statt.

Spin nach oben und Spin nach unten

Doch auch wenn keine elektrische Ladung mehr transportiert wird, kann immer noch Spin transportiert werden. „Im Nickel bewegen sich zunächst sowohl Elektronen mit Spin nach oben wie auch Elektronen mit Spin nach unten“, sagt Karsten Held. „Allerdings haben die Atome des Metalls auf diese beiden Sorten von Elektronen eine unterschiedliche Wirkung. Die Elektronen mit Spin nach oben können sich recht ungehindert bewegen. Die Elektronen mit Spin nach unten haben eine viel größere Wahrscheinlichkeit, an Nickel-Atomen gestreut zu werden.“

Wenn die Elektronen gestreut werden, dann ändern sie ihre Richtung und verlieren Energie. Die Elektronen, die auf geradem Weg mit hoher Energie zur Grenzschicht zwischen Nickel und Silizium gelangen, haben daher in großer Mehrheit Spin nach oben. Elektronen, die den entgegengesetzten Weg nehmen, nehmen hingegen beide Spin-Möglichkeiten mit ähnlicher Wahrscheinlichkeit an.

Dieser spinabhängige Unterschied führt dazu, dass schließlich im Silizium Spin-nach-oben dominiert. Es ist gelungen, in den Halbleiter Silizium einen Spinstrom ohne Ladungsstrom zu injizieren. „Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Spin-Polarisierung extrem stark ist – viel stärker als man sie mit anderen Methoden erreichen könnte“, sagt Marco Battiato.

„Außerdem lässt sich dieser Spinstrom innerhalb von Femtosekunden erzeugen.“ Geschwindigkeit ist wichtig: Unsere modernen Prozessoren arbeiten mit Taktfrequenzen im Gigahertz-Bereich, somit sind Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde möglich. Will man das steigern und in den Terahertz-Bereich vordringen, braucht man Bauteile, die auf entsprechend kurzen Zeitskalen reagieren können.

Bisher gibt es die neue Methode nur in der Computersimulation, doch Battiato und Held stehen bereits in Kontakt mit anderen Forschungsgruppen, die den Laser-getriggerten Spinfluss experimentell messen wollen. „Die Spintronik hat gute Chancen, eine Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte zu werden“, sagt Battiato. „Mit unserer Spin-Injektionsmethode hat man nun erstmals die Möglichkeit, ultraschnelle, extrem starke Spinströme herzustellen.“

Originalpublikation:
M. Battiato and K. Held, Phys. Rev. Lett. 116, 196601, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.196601
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.196601

Rückfragehinweise:

Prof. Karsten Held
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
T: +43-1-58801-13710
karsten.held@tuwien.ac.at

Dr. Marco Battiato
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
T: +43-1-58801-13768
marco.battiato@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Für Körperscanner und Materialprüfung: Neues bildgebendes Verfahren für Terahertz-Strahlung setzt auf Mikrospiegel
06.12.2019 | Technische Universität Kaiserslautern

nachricht Schweizer Weltraumteleskop CHEOPS: Raketenstart voraussichtlich am 17. Dezember 2019
05.12.2019 | Universität Bern

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: Das 136 Millionen Atom-Modell: Wissenschaftler simulieren Photosynthese

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben unerlässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. An der internationalen Forschungskooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

Das Projekt geht zurück auf eine Initiative des inzwischen verstorbenen, deutsch-US-amerikanischen Physikprofessors Klaus Schulten von der University of...

Im Focus: Developing a digital twin

University of Texas and MIT researchers create virtual UAVs that can predict vehicle health, enable autonomous decision-making

In the not too distant future, we can expect to see our skies filled with unmanned aerial vehicles (UAVs) delivering packages, maybe even people, from location...

Im Focus: Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung

Beim Schlichtfräsen komplexer Freiformflächen können Kreissegment- oder Tonnenfräswerkzeuge jetzt ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkzeugen mit Kugelkopf besser ausspielen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte im Forschungsprojekt »FlexiMILL« gemeinsam mit vier Industriepartnern passende flexible Bearbeitungsstrategien und implementierte diese in eine CAM-Software. Auf diese Weise lassen sich große frei geformte Oberflächen nun bis zu 80 Prozent schneller bearbeiten.

Ziel im Projekt »FlexiMILL« war es, für die Bearbeitung mit Tonnenfräswerkzeugen nicht nur neue, verbesserte Werkzeuggeometrien zu entwickeln, sondern auch...

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit...

Im Focus: Neue Klimadaten dank kompaktem Alexandritlaser

Höhere Atmosphärenschichten werden für Klimaforscher immer interessanter. Bereiche oberhalb von 40 km sind allerdings nur mit Höhenforschungsraketen direkt zugänglich. Ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser schafft jetzt neue Möglichkeiten. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik (IAP) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickeln ein System, das leicht zu transportieren ist und autark arbeitet. Damit kann in Zukunft ein LIDAR-Netzwerk kontinuierlich und weiträumig Daten aus der Atmosphäre liefern.

Der Klimawandel ist in diesen Tagen ein heißes Thema. Eine wichtige wissenschaftliche Grundlage zum Verständnis der Phänomene sind valide Modelle zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

Intelligente Transportbehälter als Basis für neue Services der Intralogistik

03.12.2019 | Veranstaltungen

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

RNA-Modifikation - Umbau unter Druck

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Der Versteppung vorbeugen

06.12.2019 | Geowissenschaften

Verstopfung in Abwehrzellen löst Entzündung aus

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

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