Das Beste aus zwei Welten
Auf Spinströmen basierendes Verfahren könnte zu neuer Art magnetischer Speicherung führen.
Die aktuellen Technologien zur Aufzeichnung, Speicherung und Wiedergabe von Informationen sind entweder ladungs- oder spinbasiert. Dabei stellen die auf der Halbleitertechnik basierenden Flash- oder Direktzugriffsspeicher Paradebeispiele aus der großen Vielfalt ladungsbasierter Geräte dar. Diese Geräte nutzen die Möglichkeit, die binären elektronischen Ladezustände von Halbleitern auf einfache Weise elektrisch zu beeinflussen und zu erfassen. Der Nachteil hierbei liegt darin, dass bereits schwache Störeinflüsse wie Verunreinigungen, Temperaturschwankungen oder Strahlung zu unkontrollierten Ladungsumverteilungen und in der Folge zu Datenverlust führen können.
Abb.: Elektrisch erschütterter GaMnAs-Magnet (Bild: J. Sinova)
Spinbasierte Verfahren hingegen nutzen den Magnetismus zur Speicherung. Genau diese Technologie steckt hinter Speicheranwendungen, die von Kilobyte-Magnetstreifenkarten bis zu Terabyte-Computerfestplatten reichen. Da in diesen Medien die Speicherung spinbasiert erfolgt, sind sie weit weniger anfällig für Ladestörungen. Der Nachteil der derzeit existierenden Magnetspeicher besteht allerdings darin, dass das magnetische Bit an einen Elektro- oder anderen Permanentmagneten gekoppelt sein muss, um Nord- und Südpol des Magneten miteinander zu vertauschen, um also von „0“ auf „1“ zu wechseln und umgekehrt. Wenn sich die Pole aber nun durch ein elektrisches Signal ohne den Einsatz eines anderen Magneten vertauschen ließen, wäre der Weg frei für eine völlig neuartige Generation von Speichermedien, die die Vorzüge der ladungsbasierten und der spinbasierten Medien ineinander vereint.
Um einen Magneten ohne einen zusätzlichen Elektro- oder anderen Permanentmagneten auf elektrischem Wege zu erschüttern, muss man den Bereich der klassischen Physik verlassen und sich in die relativistische Quantenmechanik hineinbegeben. Nach dieser können Elektronen unter dem Einfluss elektrischen Stroms ihre Spins so ausrichten, dass sie magnetisch werden. Die Mainzer Forscher verwendeten einen GaMnAs-Permanentmagneten, legten in dessen Innerem einen elektrischen Strom an und erzeugten so eine neue interne Magnetwolke, durch die sie den umgebenden Permanentmagneten beeinflussen konnten.
Das beobachtete Phänomen ist eng mit dem relativistischen intrinsischen Spin-Hall-Effekt verwandt, den Jörg Wunderlich, Jairo Sinova und Tomas Jungwirth im Jahr 2004 entdeckten, nachdem Sinova und Forscherkollegen ihn 2003 vorhergesagt hatten. Seitdem lässt sich anhand dieses Phänomens lehrbuchmäßig erläutern, wie jedes Material durch elektrische Ströme magnetisiert werden kann. „Vor zehn Jahren haben wir vorhergesagt und entdeckt, wie elektrische Ströme durch die intrinsischen Strukturen von Materialien reine Spinströme erzeugen können. Nun haben wir nachgewiesen, dass dieser Effekt umgekehrt werden kann, um Magnete mithilfe einer strominduzierten Polarisation zu beeinflussen“, erklärt Jairo Sinova. „Diese neuartigen Phänomene bilden heute einen wichtigen Forschungsschwerpunkt, da sich daraus eine neue Generation von Speichermedien ergeben könnte.“
U. Mainz / DE
