Neue Konzepte für spintronische Speicher und Schalter

Kerne von Phosphoratomen können sich digitale Daten fast zwei Minuten lang merken – Supraleiter als Spin-Filter.

Elektrische Ladungen von Elektronen speichern und verarbeiten heute digitale Daten in allen Computerchips. In Zukunft könnte der Spin von Elektronen und Atomkernen diese Aufgabe sehr viel effizienter übernehmen. Auf dem langen Weg hin zum Spintronik-Computer schufen Physiker von den Universitäten in Barcelona und Salt Lake City neue Module, die sowohl für Schaltelemente als auch für Arbeitsspeicher geeignet sein könnten.

Schon heute lassen sich in ersten Experimenten die beiden digitalen Basiswerte "0" und "1" über die Ausrichtung eines Elektronen-Spins eindeutig unterscheiden. Diese Eigenschaft soll in Spintronik-Prozessoren die Aufgabe der elektrischen Ladung übernehmen. Um nun auch einen schaltbaren Fluss von Spins zu erhalten, konzipierten Marius V. Costache und Sergio Valenzuela von der Universitat Autònoma de Barcelona eine regelbare Sortiervorrichtung. Mit dieser ließen sich die Elektronenspins – "up" und "down" - kontrollieren, ohne dass wie in herkömmlichen Schaltkreisen ein elektrischer Strom fließen musste.

Kern des Moduls, das im Prinzip einen Ein-Elektron-Transistor darstellt, ist eine nur sechs Nanometer dünne und 250 Nanometer lange Insel aus Aluminium. Über zwei Elektroden aus einer ferromagnetischen Eisenkobalt-Legierung können Steuerspannungen von einigen Hundert Mikrovolt angelegt werden. Tiefgekühlt unter die Sprungtemperatur für Aluminium geht das Modul in den supraleitenden Zustand über. Unter der Wirkung von Magnetfelder von bis zu 1,5 Tesla Stärke beobachteten die Physiker ein asymmetrisches Verhalten der Elektronen mit entgegengesetzter Spin-Ausrichtung. Über die Polung der angelegten Spannung ließen sich so die Spins filtern und mit hoher Effizienz voneinander trennen.

Legt dieses Modul zur Kontrolle von Spinflüssen eine Grundlage für spintronische Schaltprozesse, widmeten sich Wissenschaftler von der University of Utah in Salt Lake City dem Speichern von Spinzuständen. Ihnen gelang die Konstruktion eines Kernspin-Datenspeicher aus Phosphoratomen, der prinzipiell viel kleiner und kompakter aufgebaut werden kann als heute gebräuchliche Speicherelemente. "Auf der Basis unserer Experimente könnte man direkt einen Speicherchip bauen", sagt Christoph Boehme, Leiter des Spintronik-Labors in Salt Lake City. Allerdings müsste der Chip dazu auf minus 270 Grad Celsius abgekühlt und starken Magnetfelder von 8,59 Tesla ausgesetzt werden.

Unter diesen extremen Bedingungen gelang es ihnen erstmals, digitale Daten mit dem magnetischen Spin eines Atomkern für fast zwei Minuten zu speichern und wieder auszulesen. Zum Vergleich: der Arbeitsspeicher in aktuellen Prozessoren kann sich Daten nur für einige Millisekunden merken. Stolz sind Boehme und Kollegen vor allem darauf, dass sie einen Kernspin-Datenspeicher wie herkömmliche Speicherchips elektronisch beschreiben und auslesen konnten. Dazu dotierten sie ihren nur einen Quadratmillimeter kleinen Silizium-Wafer mit Phosphor-Atomen und schlossen an dieses Modul mehrere Elektroden an.

In einem ersten Schritt richteten sie mit Terahertz-Wellen die Spin der Elektronen rund um den Phosphorkern aus. In einem zweiten Schritt konnten sie diese Spinausrichtung mit Radiowellen auf den Magnetspin des Phosphorkerns übertragen. "Im Grunde schrieben wir so den digitalen Basiswert "1" in den Atomkern", erklärt Boehme. 112 Sekunden lang ließ sich diese digitale Informationen ebenfalls mit Radio- und Terahertzwellen viele tausend Male auslesen, ohne den Kernspin-Datenspeicher zu zerstören.

Wegen der extremen Versuchsbedingungen sind weder der Spin-Sortierer noch dieser Kernspin-Speicher für einen extrem kleinen und leistungsfähigen Speicherchip geeignet. Doch in weiteren Versuchen wollen zumindest Boehme und Kollegen nach und nach die Temperatur steigern und immer schwächere Magnetfelder nutzen.

Jan Oliver Löfken

Weitere  Literatur:

• I. uti, J. Fabian, S. Das Sarma:Spintronics: Fundamentals and Applications. Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004)
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• D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth: Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Springer-Verlag, Berlin, 2002
• M. Scheid, D. Bercioux, K. Richter: Zeeman ratchets: pure spin current generation in mesoscopic conductors with non-uniform magnetic fields. N. J. Phys. 9, 401 (2007)
  dx.doi.org/10.1088/1367-2630/9/11/401
• L. G. Herrmann et al.: Carbon Nanotubes as Cooper-Pair Beam Splitters. Phys. Rev. Lett. 104, 026801 (2010)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.026801

 MH

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