Neues vom Spin-Hall-Effekt

Die Trennung unterschiedlich orientierter Elektronenspins ist auch ohne Magnetfeld möglich - und das sogar bei Zimmertemperatur.

Während in der heutigen Elektronik nur die Ladung der Elektronen (und Löcher) ausgenutzt wird, will die Spintronik auch den Elektronenspin ins Spiel zu bringen. Dadurch eröffnen sich nicht nur neue Möglichkeiten für die Optoelektronik sondern auch für die Quanteninformationsverarbeitung. Doch wie lassen sich „Spinströme“ herstellen und steuern? Zum einen kann man mit ferromagnetischen Materialien sowie mit Magnetfeldern direkt auf die Elektronenspins einwirken. Doch auch in unmagnetischen Halbleitern lassen sich gänzlich ohne Magnetfelder Spinströme hervorrufen – durch den Spin-Hall-Effekt. Jetzt konnte dieser Effekt erstmals bei Zimmertemperatur beobachtet werden.

Beim herkömmlichen Hall-Effekt lenkt ein Magnetfeld, das senkrecht zu einem elektrischen Strom steht, die Ladungsträger quer zur Stromrichtung ab, und zwar die negativen Elektronen und die positiven Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch baut sich quer zu einem stromdurchflossenen Leiter eine „Hall-Spannung“ auf. Beim Spin-Hall-Effekt, der vor 35 Jahren von den russischen Physikern Michael Dyakonov und Vladimir Perel vorhergesagt worden war, verursacht ein elektrisches Feld, das auf einen Strom wirkt, eine Spinpolarisation. Dahinter steckt die Spin-Bahn-Kopplung: Die bewegten Ladungen verspüren im elektrischen Feld ein zusätzliches Magnetfeld, das unterschiedlich orientierte Spins unterschiedlich ablenkt und dadurch eine Spinpolarisation hervorruft.

Vor zwei Jahren hatten Forscher um David Awschalom von der University of California in Santa Barbara erstmals den Spin-Hall-Effekt in einer dünnen Halbleiterschicht aus Galliumarsenid beobachtet. Wurde die streifenförmige Probe in Längsrichtung von einem Strom durchflossen, so fand in Querrichtung eine Spinseparation statt: An den Längsseiten des Halbleiterstreifens sammelten sich Spins, die senkrecht zum Streifen in Up- bzw. Down-Richtung polarisiert waren. Der Spinstrom wurde aber nicht von einem Ladungsstrom in Querrichtung begleitet. Ein Strom von Up-Elektronen wurde durch einen entgegen gerichteten Strom von Down-Elektronen kompensiert, sodass effektiv kein Ladungsstrom in Querrichtung floss.

Wodurch der Spin-Hall-Effekt zustande kommt, ist immer noch unklar. Zum einen könnten Störstellen, an denen unterschiedlich polarisierte Elektronen aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung in unterschiedliche Richtungen gestreut werden, zu einer Spinpolarisation führen. Diesen „extrinsischen“ Spin-Hall-Effekt machen Awschalom und seine Kollegen für ihre experimentellen Beobachtungen verantwortlich. Es könnte jedoch auch ein „intrinsischer“ Effekt vorliegen, bei dem die Bandstruktur des Halbleiters den Elektronen je nach ihrer Impulsrichtung eine dazu senkrechte Spinpolarisation gibt. Hier müssen weitere Experimente und theoretische Untersuchungen eine Klärung bringen.

Jetzt haben die Forscher in Santa Barbara in zwei Experimenten einige Eigenschaften des Spin-Hall-Effekts untersucht, die für eine praktische Anwendung besonders interessant sind. Beim ersten Experiment benutzten sie eine 2 µm dicke Schicht aus siliziumdotiertem Galliumarsenid, die die Form eines länglichen Streifens mit mehreren quer stehenden Seitenkanälen hatte. Wenn der Halbleiterstreifen in Längsrichtung von einem elektrischen Strom durchflossen wurde, entstand in Querrichtung ein Spinstrom. Die dabei in der Schicht auftretende Spinpolarisation wurde optisch mithilfe des Kerr-Effektes gemessen. Ein linear polarisierter Laserstrahl rasterte dazu die Oberfläche der Schicht ab. Die lokale Spinpolarisation der Leitungselektronen verursachte je nach ihrer Stärke eine entsprechend große Drehung der Polarisationsebene des reflektierten Laserstrahls. Auf diese Weise ließ sich die Ausbreitung der Spinpolarisation auch in den seitlichen Kanälen verfolgen, in denen kein Ladungsstrom floss. Es zeigte sich, dass die Spinströme weiterliefen und etwa 40 µm tief in die Kanäle eindrangen. Somit ist es möglich, die durch den Spin-Hall-Effekt erzeugten Spinströme auszukoppeln.

Im zweiten Experiment benutzten Awschalom und seine Kollegen eine 1,5 µm dicke Schicht aus chlordotiertem Zinkselenid. Die Wahl fiel auf diesen Halbleiter, weil sich bei ihm aufgrund seiner Eigenschaften (große Bandlücke, große Spinkohärenzzeiten) Spin-Effekte für deutlich höhere Temperaturen beobachten lassen als beim Galliumarsenid. Dieser Vorteil zeigte sich auch für den Spin-Hall-Effekt. Selbst bei Zimmertemperatur (295 K) traten noch Spinströme auf, die zu einer merklichen Spinansammlung an den Seitenrändern der Probe führten. Allerdings nahm die Spindichte von ca. 16 Spins/µm ³ bei 20 K auf etwa 2 Spins/µm ³ bei 295 K ab. Die Spin-Hall-Leitfähigkeit fiel entsprechend von etwa 3 (Ω m e) ^–1 auf 0,5 (Ω m e) ^–1 ab. Dass man Spins bei Zimmertemperatur ausschließlich mit elektrischen Mitteln erzeugen kann, stimmt Awschalom und sein Kollegen zuversichtlich: Sie halten spin-basierte logische Halbleiterschaltung für technisch machbar.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  N. P. Stern et al.: Current-Induced Polarization and the Spin Hall Effect at Room Temperature. Phys. Rev. Lett. 97, 126603 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.126603
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0607288
• V. Sih et al.: Generating Spin Currents in Semiconductors with the Spin Hall Effect. Phys. Rev. Lett. 97, 096605 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.096605
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0605672
• Gruppe von David Awschalom:
  http://gabriel.physics.ucsb.edu/%7Eawschalom/