Spin-Erhaltung auf dem Chip

Seit einigen Jahren untersuchen Forscher weltweit, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Dabei erlaubt zwar die Spin-Bahn-Kopplung die gezielte Manipulation des Elektronen­spins durch ein äußeres elektrisches Feld, bewirkt aber auch den Zerfall der Ausrichtung des Spins, was zu einem Informations­verlust führen würde. In einer internationalen Kollaboration mit Kollegen aus den USA und Brasilien haben nun Wissenschaftler um Dominik Zumbühl vom Departement Physik und vom Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel eine neue Methode entwickelt, mit der eine gezielte Spin­manipulation möglich ist, ohne unter solch einem Zerfall zu leiden. Die Wissenschaftler haben dazu einen Chip entwickelt, auf dem ein Elektron auf seinem Weg durch das Material gleichmäßig ohne Abnahme der Drehung rotiert, wobei die Orientierung des Spins einem spiralförmigen Muster folgt – ähnlich einer Helix. Werden die Spannungen, die durch zwei Gate-Elektroden angelegt werden, verändert, beeinflusst dies die Wellen­länge der Helix. Durch eine Spannungs­änderung lässt sich also die Orientierung des Spins beeinflussen.

Es sind vor allem die Rashba- und Dresselhaus-Felder, die die kreis­förmige Bewegung des Spins bestimmen. Im vorgestellten Experiment können das Dresselhaus- und das Rashba-Feld gleich groß gehalten werden, während gleichzeitig die insgesamte Stärke der beiden Felder gesteuert werden kann. Auf diese Art und Weise wird der Zerfall der Spins unterdrückt.

Somit können die Forscher die Orientierung der Spins auch über Distanzen von mehr als zwanzig Mikrometer hinweg mit Spannungen einstellen. Auf einem Chip sind das sehr lange Distanzen, die vielen Umdrehungen der Spins entsprechen. Damit lassen sich zum Beispiel Spin­information zwischen verschiedenen Quantenbits übermitteln.

Diese Methode wird erst dadurch möglich, dass in dieser Arbeit zum ersten Mal experimentell gezeigt wurde, dass sich nicht nur das Rashba-Feld, sondern auch das Dresselhaus-Feld mit elektrischen Spannungen einstellten lässt. Dies wurde zwar schon vor mehr als zwanzig Jahren in einer theoretischen Arbeit vorausgesagt, konnte aber erst jetzt dank einer neu entwickelten Mess­methode basierend auf Quanten-Interferenz­effekten bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nachgewiesen werden. Es wird aber erwartet, dass die Steuerung der Helix mit Spannungen auch bei höheren Temperaturen und sogar bei Zimmer­temperatur funktioniert.

„Mit dieser Methode können wir nicht nur in-situ die Spin­orientierung beeinflussen, sondern auch den Transfer von Elektronen­spins über längere Distanzen ohne Verluste kontrollieren“, bemerkt Dominik Zumbühl. Die exzellente Zusammen­arbeit mit den Kollegen von der Universidade de Sao Paulo, der University of California und der University of Chicago legt die Grundlage für eine ganz neue Generation von Geräten, die auf spin­basierter Elektronik aufbauen und schafft Perspektiven für weitere experimentelle Arbeiten.

U. Basel / DE