Semiconductor Spintronics

Halbleiterbauelemente basieren heutzutage auf der Nutzung von elektrischer Ladung. Elektronen und Löcher besitzen jedoch nicht nur eine Ladung, sondern auch einen Spin. Genau diese quantenmechanische Eigenschaft könnte in zukünftigen Bauelementen Anwendung finden. Die physikalische Forschung auf diesem weitreichenden Gebiet wird unter dem Stichwort Halbleiter-Spintronik zusammengefasst und reicht von grundlegenden Ideen für einen Spin-Feldeffekttransistor bis zu hochkomplizierten Bauelementen auf Basis von topologischen Isolatoren und Spin-Quantencomputern.

Für Studierende ist der Zugang zu diesem Forschungsgebiet in der Regel schwierig, da die Halbleiter-Spintronik viele physikalische Bereiche wie Halbleiterphysik, Magnetismus, Transport, Optik und Quanteninformationstheorie verbindet. Hier springt das Buch von Thomas Schäpers ein, das aus einer Vorlesung hervorgegangen ist und die Studierenden bei den Grund­lagen abholt, die sie aus der Festkörperphysikvorlesung kennen.

Die beiden einführenden Kapitel über niedrigdimensionale Halbleiterstrukturen und Magnetismus wiederholen in Kürze den benötig­ten Vorlesungsstoff und schlagen mit den beiden folgenden Kapiteln über verdünnte magnetische Halbleiter und magnetische Elektroden die Brücke zur Spintronik. Das anschließende Kapitel führt die Injektion von spinpolarisierten Ladungsträgern ein und stellt nacheinander die wichtigsten Transport- und optischen Experimente vor. Dabei wird die Physik kurz erläutert, wobei allerdings einige physikalische Sachverhalte aus Platzgründen extrem stark vereinfacht vorgestellt sind, beispielsweise die optischen Experimente zur elektrischen Injektion von spinpolarisierten Löchern in InGaAs-Quantenfilmen. Der sehr kurz dargestellte Zusammenhang ist äußerst problematisch, da freie Löcher in diesem Material­system ihre Spinpolarisation extrem schnell verlieren und daher eine effiziente Spininjektion in der geschilderten Art und Weise unmöglich ist.

Trotzdem ist das Buch nicht nur für Neulinge auf dem Gebiet der Spintronik äußerst lesenswert und als Lehrbuch bestens geeignet. Ein Kapitel über Spintransistoren nutzt der Autor didaktisch gut, um wichtige Begriffe wie den Rashba- und Dresselhaus-Term einzuführen. Im Rahmen von Spininterferenzeffekten werden die wichtigsten Relaxationsmechanismen anschaulich dargestellt und die Berry-Phase erläutert, womit die grundlegenden Konzepte abgedeckt sind. Die letzten Kapitel widmen sich der hochaktuellen Forschung. Neben dem Spin-Quanten-Hall-Effekt wird auch die Physik der topologischen Isolatoren kurz erläutert. Das Buch schließt mit der aktuell spannendsten Anwendung der Spintronik ab, dem Spin-Quantencomputer. Auch dieses Kapitel macht Lust auf mehr.

Insgesamt ist das Buch von Schäpers eine gelungene Werbung für das Feld der Spintronik, eine gute Grundlage für eine einsemestrige Spezialvorlesung und ein hochmotivierender Lesestoff. Wer jedoch ein ausführliches Nachschlagewerk sucht, muss sich anderweitig umschauen.

Prof. Dr. Michael Oestreich, Univer­sität Hannover