Magnetspins in Quantenpunkten

Mit Lichtpulsen lassen sich halbleitende Nanokristalle kontrolliert magnetisieren – Effekt ist erstmals auch bei Raumtemperatur nachweisbar.

Statt mit Elektronen könnten zukünftige Prozessoren magnetische Spins zum Verarbeiten digitaler Daten nutzen. Auf dem Weg hin zu spintronischen Schaltkreisen erzielte nun ein deutsch-amerikanisches Forscherteam ein viel versprechendes Ergebnis. Mit kurzen Lichtpulsen konnten sie die Magnetspins in dotieren Nanokristallen aus Cadmiumselenid manipulieren. Funktionierte das bisher nur bei tiefen Temperaturen unterhalb von minus 220 Grad, waren diese Schalteffekte nun auch bei Raumtemperatur zu beobachten.

Wissenschaftler um Gerd Bacher und Lars Schneider von der Universität Duisburg-Essen zeigten zusammen mit ihren Kollegen von der University of Washington in Seattle die spontane, photoinduzierte Polarisation von Mn²⁺-Spin in dotierten Nanokristallen aus Cadmiumselenid. Dazu dotierten sie knapp fünf Nanometer kleine Quantenpunkte aus dem Verbindungshalbleiter Cadmiumselenid mit Mangan-Ionen. Diese Nanokristalle verteilten sie in einer Suspension und regten sie mit ultravioletten Laserpulsen mit einer Wellenlänge von 365 Nanometern an.

Ohne ein externes Magnetfeld konnten die Nanokristalle bei etwa minus 220 Grad Celsius vollständig durch die Wechselwirkung mit den Lichtteilchen magnetisiert werden. Verantwortlich dafür machten sie vor allem den Anteil an Manganionen, der bei 4,5 Prozent lag. Der Effekt war so stark, dass er selbst bei Raumtemperatur beobachtet werden konnte. Genau dieses Verhalten macht solche Nanokristalle für die Entwicklung von spintronischen Schaltkreisen interessant. Denn mit tiefgekühlten Quantenpunkten ließe sich kaum ein anwendbarer Prozessor konstruieren.

Die Grundlage für das lichtinduzierte Schalten von Magnetspins bilden so genannte exzitonische magnetische Polaronen (EMP). In Halbleitern kann durch die Absorption eines Lichtteilchens ein Exziton angeregt werden. Dieser gebundene Zustand aus einem Elektron und dem zugehörigen Elektronenloch verursacht in den Nanokristallen wiederum die Bildung eines magnetischen Polarons. Dieses Quasiteilchen trägt schließlich zur Ausrichtung der magnetischen Spins in dem dotierten Quantenpunkt bei. Schon vor Jahren konnten EMPs in Halbleiter-Materialien beobachtet werden, doch trat dieser Effekt bisher ausschließlich bei tiefen Temperaturen auf.

"Dieses Ergebnis eröffnet einen völlig neuen Zugang zur Mikroelektronik, wenn man Spins statt Ladungen für die Datenverarbeitung nutzen kann"; sagt Daniel Gamelin, der ebenfalls an der Entwicklung dieser schaltbaren Quantenpunkte beteiligt war. Vor ersten, einfachen Schaltkreisen auf einem festen Substrat sind allerdings noch viele Hürden zu nehmen. Geeignete Nanokristalle müssten dazu exakt auf einer Oberfläche angeordnet werden und bräuchten zudem eine Verknüpfung zu einem Lichtleiter, durch die die schaltenden Photonen zum magnetisierbaren Teilchen gelangen könnten. Sollte das jedoch in Zukunft gelingen, locken nichtflüchtige Arbeitsspeicher, die digitale Daten prozessieren und sich ohne eine dauerhafte Energiezufuhr sogar merken könnten.

Jan Oliver Löfken

• Center for Nanointegration, Universität Duisburg-Essen:
  http://cenide.uni-duisburg-essen.de/

• Department of Chemistry, University of Washington:
  http://depts.washington.edu/chem/

Weiterführende Literatur: 

• Stefan T. Ochsenbein et al.: Charge-controlled magnetism in colloidal doped semiconductor nanocrystals. Nature Nanotechnology (online 16.8.2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2009.221

• T. Dietl, D. D. Awschalom, M. Kaminska, H. Ohno, Eds.: Spintronics, vol. 82, Academic Press, Amsterdam (2008)

• J. H. Harris, A. V. Nurmikko: Formation of the Bound Magnetic Polaron in (Cd,Mn)Se. Phys. Rev. Lett. 51, 1472 (1983)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.51.1472

KP