17.08.2020

Quantenpunkte als Spin-Ventil

Effizientes Konzept ermöglicht Spinpolarisation nahe dem theoretischen Maximum.

Spintronik könnte ein Schlagwort werden, das irgendwann genauso selbst­verständlich zu unserem Wortschatz gehört wie Elektronik. Die Idee dahinter: Statt der Ladung von Elektronen wird ihr Spin verwendet. Weltweit verfolgen Forscher dieses Ziel schon seit Jahren. Spintronik verspricht zahlreiche Anwendungen und könnte die Energie­effizienz elektronischer Geräte deutlich verbessern. Eine wichtige Voraussetzung dabei ist eine sehr effiziente Kontrolle und Detektion von Elektronen­spins. Ein Team um Christian Schönenberger und Andreas Baumgartner vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel hat nun eine neue Technik für Spintronik in Halbleiter­bauelementen entwickelt. Ebenfalls beteiligt waren Wissenschaftler des Instituto Nanoscienze-CNR in Pisa.
 

Abb.: Beide Quanten­punkte (gestrichelte Ellipsen) auf dem Nano­draht sind...
Abb.: Beide Quanten­punkte (gestrichelte Ellipsen) auf dem Nano­draht sind durch Nano­magnete (braune Balken) so eingestellt, dass sie nur Elektronen mit einem nach oben gerichteten Spin durchlassen. (Bild: U. Basel)

Die Forscher platzierten dazu hintereinander zwei kleine Halbleiter­inseln (Quantenpunkte) auf einem Nanodraht und erzeugten mittels Nano­magneten Magnetfelder in den Quanten­punkten. Über ein externes Feld waren die Wissenschaftler in der Lage, diese Magnete getrennt zu kontrollieren und zu steuern, ob die Quantenpunkte entweder Elektronen durchlassen, deren Spin nach oben oder nach unten gerichtet ist. Um bei zwei hinter­einander­geschalteten Quanten­punkten einen Stromfluss zu ermöglichen, müssen die Quanten­punkte beide auf „up“ oder beide auf „down“ gestellt sein. Im Idealfall fließt kein Strom, wenn sie unterschiedlich orientiert sind. 

Arunav Bordoloi, Erstautor der Publikation und Doktorand im Schönenberger-Team, stellte fest, dass mit der gewählten Methode eine Spin­polarisation nahe dem theoretischen Maximum möglich ist. „Mit dieser Technik können wir wählen, ob ein einzelnes Elektron in einem gegebenen Spin-Zustand in ein Quanten­system eintreten oder es verlassen darf – mit einer Effizienz, die weit höher ist als bei herkömmlichen Spin-Ventilen“, sagt er. 

„In den letzten Jahren haben sich Forscher weltweit die Zähne daran ausgebissen, Spin-Ventile auch für Nano- und quanten­elektronische Bauelemente zu konstruieren“, so Andreas Baumgartner, der das Projekt betreut. „Uns ist das jetzt gelungen.“

Die Forscher konnten zudem zeigen, dass die magnetischen Felder auf bestimmte Stellen des Nanodrahtes begrenzt sind. „Diese Technik sollte es uns erlauben, auch die Spin-Eigenschaften neuer Phänomene zu untersuchen, die durch Magnet­felder gestört werden, wie neuartige Zustände am Ende von speziellen Supraleitern“, kommentiert Baumgartner. 

Dieser neue Weg der Spintronik soll nun direkte Spin-Korrelations- und Spin-Verschränkungs­messungen ermöglichen und neues Licht auf viele alte und neue physikalische Phänomene werfen. Das Konzept könnte in Zukunft auch dazu beitragen, dass Elektronenspins als kleinste Speicher­einheit (Quantenbit) in einem Quanten­computer zur Anwendung kommen. 

U. Basel / DE
 

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