Elektronenspins ohne Magnetfeld polarisiert

Spinströme können auch mit elektrischen Feldern hergestellt werden.

Die Spintronik soll im Gegensatz zur herkömmlichen Elektronik nicht nur die Ladung der Elektronen nutzen sondern auch deren Spin. Doch die Erzeugung und Kontrolle von Spinströmen sowie ihr Nachweis sind noch immer eine große Herausforderung, insbesondere wenn sie mit nichtmagnetischen Halbleiterstrukturen erreicht werden sollen. Jetzt ist Philippe Debray von der University of Cincinnati und seinen Kollegen ein großer Fortschritt auf dem Weg zu einer magnetfeldlosen Spintronik gelungen. Sie haben in einem Quantenpunktkontakt nur mit elektrischen Feldern einen spinpolarisierten Elektronenstrom erzeugt.

Für die Spintronik werden Elektronenströme benötigt, bei denen alle Elektronenspins in eine Richtung zeigen. Diese Spinpolarisation kann man zwar mit äußeren Magnetfeldern erreichen, doch das Verfahren ließe sich kaum miniaturisieren. Winzige Spinventile, die nur Elektronen einer Spinrichtung durchlassen, kann man aus dünnen magnetischen Schichten herstellen. Doch besser wäre es, für die Spintronik nichtmagnetische Halbleiter zu nutzen, aus denen man problemlos integrierte Schaltung bauen könnte.

Eine nichtmagnetische Beeinflussung des Spins ist in Substanzen mit starker Spin-Bahn-Kopplung möglich. Bewegen sich deren Leitungselektronen in einem elektrischen Feld, verspüren sie zusätzlich ein Magnetfeld, das auf den Spin einwirkt. So lassen sich beim Spin-Hall-Effekt die in einer dünnen Schicht fließenden Elektronen quer zum Strom je nach Spinrichtung nach links oder rechts ablenken. Berechnungen hatten gezeigt, dass auch in einem nanometerdicken Quantendraht eine „elektrische“ Trennung der Elektronen nach ihrer Spinrichtung möglich sein sollte. Ob sich auf diese Weise messbare Spinströme herstellen lassen, war indes unklar. Philippe Debray und seinen Kollegen ist dies jetzt gelungen.

Die Forscher haben einen Quantenpunktkontakt aus einer Indiumarsenid-Halbleiterschichtstruktur hergestellt. In diesem Kontakt wurde ein leitfähiger Bereich an einer Stelle durch zwei symmetrisch angeordnete Elektroden auf eine Breite von etwa 200 nm eingeschnürt. Eine Source-Drain-Spannung von bis zu 1 mV verursachte einen Stromfluss durch den Kontakt, aus dessen Stärke die Forscher die Leitfähigkeit des Kontaktes bestimmten. Lag an beiden Elektroden die gleiche Gate-Spannung V_G, so änderte sich die Leitfähigkeit G stetig mit V_G. Allerdings zeigte G(V_G) bei 2e²/h (dem Doppelten des Leitfähigkeitsquantums) ein Plateau. Je nach dem Wert von V_G trug in der quasi-eindimensionalen Engstelle kein oder ein Quantenzustand zur Leitfähigkeit bei. Die resultierende Stufe wurde durch thermische Effekte abgerundet.

Anschließend legten die Forscher an eine der beiden Elektroden zusätzlich zu V_G noch eine Spannung von 7,5 V an, sodass der Kontakt quer zum Strom ein asymmetrisches Spannungsprofil hatte. Nun zeigte G(V_G) ein weiteres Plateau, und zwar bei e²/h. Es stand jetzt nur noch die Hälfte der Elektronen für den Ladungstransport zur Verfügung. Nach Meinung der Forscher hatte die Spin-Bahn-Kopplung, verursacht durch die asymmetrische Spannung, die Elektronen unterschiedlicher Spinrichtung voneinander getrennt. Es konnte nur noch die Hälfte der Elektronen, die die richtige Spinorientierung hatten, zum Strom beitragen. Der asymmetrische Quantenpunktkontakt ließe sich demnach als Quelle für polarisierte Spinströme sowie als Spinfilter nutzen. Eine direkte Messung der Spinpolarisation des Stroms durch den asymmetrischen Kontakt steht indes noch aus.

RAINER SCHARF

Weitere Literatur:

• Anh T. Ngo, P.Debray, Sergio Ulloa: Lateral spin-orbit interaction and spin polarization in quantum point contacts.
  arxiv.org/abs/0908.1080

AL