Garching – Bisherige Computer basieren auf dem Transport von Elektronen in Halbleitern. Die technologischen Fortschritte bei Mikrochips gründen sich hauptsächlich auf ihre Miniaturisierung. Doch inzwischen ist das Potential dieser Technologie mehr oder weniger ausgeschöpft, die verwendeten Bauteile können kaum noch mehr verkleinert werden. Daher wenden sich Wissenschafter einer anderen Möglichkeit zu: Statt der Ladung der Elektronen könnte ihre Drehrichtung, ihr Spin, für den Informationstransport genutzt werden. Wie das geht, zeigt nun ein Wissenschafterteam aus München und Kyoto.
Die sogenannte Spin-Elektronik könnte sich in Zukunft als besonders vielversprechend erweisen. Die Technologie macht sich zunutze, dass Elektronen neben der Ladung auch einen Drehimpuls besitzen. Diesen Spin möchten die Fachleute nutzen, um die Informationsdichte und damit den Funktionsumfang zukünftiger Elektronik weiter zu erhöhen.
Informationstransport durch den Spin
Wissenschaftern des Walther-Meißner-Institutes der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (WMI) und der Technischen Universität München (TUM) in Garching ist es nun zusammen mit Kollegen von der Kyoto Universität in Japan gelungen, den Transport von Spin-Information bei Raumtemperatur in einem außergewöhnlichen Materialsystem nachzuweisen. In ihren Experimenten wiesen sie die Erzeugung, den Transport und die Detektion von elektronischen Spins in der Grenzfläche zwischen den Materialien Lanthan-Aluminat (LaAlO2) und Strontium-Titanat (SrTiO3) nach.
Die Besonderheit dieses Materialsystems: An der Grenzfläche zwischen den beiden nichtleitenden Materialien bildet sich eine extrem dünne, elektrisch leitfähige Schicht, ein sogenanntes zweidimensionales Elektronengas. Das deutsch-japanische Team konnte zeigen, dass dieses nicht nur Ladung, sondern auch Spin transportieren kann. "Dazu mussten wir zunächst einige technische Hürden überwinden", sagt Hans Hübl vom Walther-Meißner-Institut. "Die beiden wichtigsten Fragestellungen dabei lauteten: Wie lässt sich der Spin in das zweidimensionale Elektronengas übertragen und wie lässt sich sein Transport nachweisen?"
Wie ein taumelnder Kreisel
Das Problem der Spin-Übertragung lösten die Wissenschafter durch einen magnetischen Kontakt, dessen Elektronen durch Mikrowellenstrahlung zu einer Präzessionsbewegung gezwungen werden, analog zur Taumelbewegung eines Kreisels. Genau wie beim Kreisel hält diese Bewegung nicht ewig an, sondern schwächt sich ab – in diesem Fall durch Abgabe von Drehmoment an das zweidimensionale Elektronengas. Dieses ist nun in der Lage, die Spin-Information zu einem nichtmagnetischen Kontakt zu transportieren, der sich einen Mikrometer neben dem magnetischen Kontakt befindet.
Der nichtmagnetische Kontakt detektiert den Spin-Transport indem er die Spins absorbiert und dabei eine elektrische Spannung aufbaut. Durch Messung dieser Spannung konnten die Forscher den Spin-Transport systematisch untersuchen und nachweisen, dass er in derartigen Strukturen über Entfernungen bis zum hundertfachen Abstand heutiger Transistoren möglich ist. Basierend auf diesen Ergebnissen will das Forscher-Team nun untersuchen, inwieweit sich mit diesem Materialsystem spinelektronische Bauelemente mit neuartigen Funktionalitäten realisieren lassen. (red, 15.2.2017)