Meilenstein auf dem Weg zur Anwendung von Spintronik erreicht IBM-Forscher bringen Elektronen-Spins zum Tanzen im Reigen

Physiker bei IBM Research Zürich haben einen Durchbruch in der Erforschung des Elektronen-Spins für zukünftige Speicher- und Logik-Anwendungen erzielt. Sie konnten erstmalig das Auftreten einer beständigen Spinhelix in einem Halbleiter direkt abbilden, bei der Elektronen-Spins synchron rotieren.

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Die neu gewonnenen Erkenntnisse der IBM-Forscher helfen, den Spin in elektronischen Bauelementen gezielt zu manipulieren und zu kontrollieren. Damit sind sie für die praktische Anwendung der Spintronik von zentraler Bedeutung.

Heute werden Informationen in Computerchips mit der elektrischen Ladung des Elektrons codiert und verarbeitet. Mit zunehmender Verkleinerung der Schaltelemente nähert sich diese Technologie jedoch physikalischen Grenzen, jenseits derer eine Kontrolle des Elektronenflusses kaum mehr möglich ist.

Die Spintronik stellt einen möglichen Ansatz dar, um diese sich abzeichnende Sackgasse zu überwinden. Sie verwendet anstelle der Ladung das magnetische Moment des Elektrons. Dieses magnetische Moment stammt vom Eigendrehimpuls des Elektrons und wird Spin genannt.

Spinning rechnet schneller als 0 und 1

Die Grundeinheit der digitalen Informationsverarbeitung, ein Zustand 0 oder 1, wäre in solchen Bauteilen die Richtung des Spins. Da Spin-basierte Elektronik nicht auf dem Verschieben von Ladung basiert, sondern auf einer Änderung des Spin-Zustands, könnte die Spintronik weitaus Energie-effizientere Computer und Speicher ermöglichen.

Im Wissenschaftsmagazin „Nature Physics“ veröffentlichten die Forscher von IBM Research und dem Labor für Festkörperphysik der ETH Zürich Arbeit zudem, dass sich durch die Spinhelix die Lebensdauer eines Spins um das 30-fache auf 1,1 Nanosekunden verlängert. Dies entspricht der Taktrate eines 1-GHz-Prozessors, also der Zeit, die für einen Verarbeitungsschritt benötigt wird.

Bislang war unklar, ob Elektronen-Spins die Fähigkeit besitzen, die codierte Information lang genug vor einer Änderung des Spinzustands zu erhalten. Die nun demonstrierte Verlängerung der Spinlebensdauer entspricht genau dem aufgrund von gemessenen Materialparametern erwarteten Wert. Damit haben die Forscher den limitierenden Mechanismus nachgewiesen und können in einem nächsten Schritt diesen verbessern.

Die perfekte Choreographie

In ihrem Experiment beobachteten die IBM Forscher wie sich Elektronen-Spins in einem Halbleiter über eine Distanz von 20 Mikrometern ausbreiten, wobei sich sämtliche Spins synchron drehen. Die Entstehung einer derartigen Spinhelix war bislang noch nie in einem Halbleiter beobachtet worden.

Der IBM-Physiker Gian Salis erläutert: „Normalerweise würden unsere Spins alle unterschiedlich schnell rotieren und nach kurzer Zeit ihre Ausrichtung verlieren. Wir können nun die Drehgeschwindigkeit der Spins auf eine spezielle Weise mit ihrer Bewegungsrichtung koppeln. Daraus resultiert eine perfekte Choreographie, in der alle Spins örtlich die exakt gleiche Ausrichtung aufweisen. Die Fähigkeit, die Ausrichtung und das Verschieben von Spins in diesem Masse zu kontrollieren, ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von Spin-basierten Transistoren, die elektrisch programmierbar sind.“

Theoretische Konzepte über dieses Phänomen in Halbleitern kamen bereits 2003 auf. Seither wiesen verschiedene Experimente auf deren Auftreten hin. Ein direkter Nachweis wurde jedoch erst jetzt erbracht. Die IBM Forscher nutzten hierfür eine zeitaufgelöste Rastermikroskop-Technik, mit der sich die synchrone Spin-Bewegung verfolgen und abbilden ließ.

Phänomen erstmalig beobachtet

Salis und seine Kollegen nutzten ultrakurze Laserpulse, um Tausende von Elektronen-Spins simultan auf einer sehr kleinen Fläche auszurichten und deren weitere Entwicklung zu beobachten. Während die Spins normalerweise schnell ihre Orientierung verlieren, konnten die Wissenschaftler nun erstmals das Auftreten einer beständigen Spinhelix demonstrieren und abbilden.

Ausschlaggebend für das Erzeugen der Spin-Helix war eine gezielte Koordination der Spin-Bahn-Wechselwirkung, einem physikalischen Mechanismus, der den Spin mit der Bewegung des Elektrons koppelt. Das hierzu benötigte Halbleitermaterial besteht aus Gallium-Arsenid (GaAs).

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Dieses wird von Forschern der ETH Zürich hergestellt, die weltweit für das Wachstum von ultra-reinen und atomar genauen Halbleiterstrukturen bekannt sind. GaAs gehört zur Gruppe der so genannten III/V-Halbleiter und wird gegenwärtig in integrierten Schaltkreisen, Infrarot-Leuchtdioden und hocheffizienten Solarzellen eingesetzt.

Der Weg aus dem Labor hin zu praktischen Spintronik-Anwendungen in zukünftigen Computern und neuartigen Speichern bleibt jedoch weiterhin herausfordernd. So lassen sich viele der Experimente bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen durchführen – in der vorliegenden Arbeit bei -233 Grad. Die hohen Frostgrade müssen sein, weil dadurch die Interaktionen des Elektronen-Spins mit der Umgebung auf ein Minimum reduziert werden.

Die Quellen:

Die wissenschaftliche Arbeit von M. P. Walser, C. Reichl, W. Wegscheider und G. Salis mit dem Titel „Direct mapping of the formation of a persistent spin helix" erschien in Nature Physics Online, DOI: 10.1038/NPHYS2383 (12. August 2012).

Das Projekt wurde finanziell unterstützt durch das National Center of Competence in Research (NCCR) Nanoscale Sciences und NCCR Quantum Science des Schweizerischen Nationalfonds(SNF).

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