11.05.2022

Besserer Transport von Spinströmen

Isolierende Barriere an einer Grenzufläche mindert Verluste deutlich.

Eine aus wenigen Atomen bestehende Zwischen­schicht ermöglicht es, den Transport von Spinströmen von einem Material in ein anderes zu verbessern. Bislang war dieser Prozess mit größeren Verlusten behaftet. Wie sich diese umgehen lassen, zeigt nun ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Witten­berg (MLU), des Max-Planck-Instituts für Mikrostruktur­physik und der Freien Universität Berlin. Die Forschenden liefern damit wichtige Erkenntnisse für viele spin­tronische Anwendungen, zum Beispiel zukünftige, energie­effiziente und ultra­schnelle Speicher­technologien.

Abb.: Mit diesem Lasersystem an der Universität Halle wurde der Transport von...
Abb.: Mit diesem Lasersystem an der Universität Halle wurde der Transport von Spin­strömen optimiert. (Bild: M. Scholz, U. Halle)

In der modernen Mikro­elektronik wird die Ladung von Elektronen als Informationsträger genutzt. Für den Ladungs­transport ist relativ viel Energie nötig und es entsteht Wärme. Eine energie­sparende Alternative hierfür könnte die Spintronik bieten. Die Grundidee ist es, zusätzlich den Spin für die Informations­verarbeitung zu nutzen. Dieser Eigen­drehimpuls von Elektronen bewirkt ein magnetisches Moment. So wird der Magnetismus erzeugt, der letztlich für die Informations­verarbeitung verwendet werden soll. 

In der Spintronik müssen auch Spinströme von einem Material ins nächste übertragen werden. „Oft sind diese Übergänge mit starken Verlusten behaftet“, sagt Georg Woltersdorf von der MLU. Das Team suchte nach einem Weg, diese Verluste abzu­schwächen, und nutzte dabei einen Ansatz, der zunächst wider­sprüchlich klingt: Die Forschenden integrierten an der Grenzfläche zweier Materia­lien eine isolierende Barriere. „Dazu haben wir den Isolator auf der Ebene einzelner Atome so gestaltet, dass er metallisch wurde und die Spinströme leiten konnte. So lassen sich die Spinströme besser übertragen und die Grenzflächen­eigenschaften optimieren“, fasst Woltersdorf zusammen.

Die Material­proben wurden am Max-Planck-Institut für Mikrostruktur­physik hergestellt. Durch Messungen des Spin­transports an der MLU und der Freien Universität Berlin wurde der über­raschende Effekt gefunden. Das Team liefert auch die theo­retischen Grundlagen für die neue Entdeckung. Diese lasse sich mit vergleichs­weise einfachen Modellen ohne die Spin-Bahn-Kopplung beschreiben, sagt Woltersdorf. Die Ergebnisse sind für viele spin­tronische Anwendungen von Relevanz. Damit könnten zum Beispiel spin­tronische Terahertz-Emitter verbessert werden. Terahertz­strahlung kommt nicht nur in der Forschung zum Einsatz, sondern auch in der Hochfrequenz­elektronik, der Medizin, der Materialprüfung oder der Kommunikations­technologie.

MLU / JOL

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