Spins und Ladungen getrennt

In der Spintronik will man mit spinpolarisierten Elektronenströmen die Möglichkeiten der Elektronik erweitern. Supraleiter bieten hier interessante Möglichkeiten, da man in sie stark polarisierte Spinströme injizieren kann, die im Vergleich zu Spinströmen in Normalleitern eine große Relaxationszeit aufweisen. Da die Spinströme wesentlich langsamer abklingen als die Ladungsströme, können Spins und Ladungen voneinander getrennt werden, wie Forscher von der Université Paris-Sud beobachtet haben.

Charis Quay und ihre Kollegen haben eingehend untersucht, wie spinpolarisierte Ströme durch mesoskopische Supraleiterstrukturen fließen. Dazu haben sie sogenannte FISIF-Spinventile hergestellt. Sie bestanden aus einer bei tiefen Temperaturen supraleitenden (S) Aluminiumschicht, die mit einer Isolatorschicht (I) aus Aluminiumoxid überzogen war, auf der wiederum zwei ferromagnetische (F) Kobaltelektroden in einem gegenseitigen Abstand von 200 nm, 300 nm oder 500 nm angebracht waren.

Mit einem variablen äußeren Magnetfeld ließen sich die beiden Elektroden nacheinander ummagnetisieren, sodass man Messungen mit sowohl mit parallel als auch mit antiparallel magnetisierten Elektroden durchführen konnte. Durch eine der beiden Elektroden injizierten die Forscher einen elektrischen Strom in die Aluminiumschicht, der aufgrund der Magnetisierung der Elektrode spinpolarisiert war. Hatte die zweite Elektrode dieselbe Magnetisierungsrichtung wie die erste, so konnte sie injizierte Elektronen aufnehmen, wenn deren Spins sich auf dem Weg durch die Aluminiumschicht nicht umgedreht hatten.

Die Forscher maßen sowohl die „lokale“ Spannung, die zwischen der ersten Elektrode und dem Aluminium abfiel, als auch die „nichtlokale“ Spannung zwischen dem Aluminium und der zweiten, weiter entfernten Elektrode. Bei Variation des Injektionsstroms änderte sich die nichtlokale Spannung umso weniger, je größer der Abstand zwischen den beiden Elektroden war. Da lag daran, dass der Spinstrom im Aluminium auf einer charakteristischen Relaxationslänge abklang. Je weiter die zweite Elektrode entfernt war, umso weniger Elektronen mit der ursprünglichen Spinpolarisation konnten sie erreichen und einen Spannungsabfall verursachen.

Zunächst führten Quay und ihre Kollegen die Messungen bei einer Temperatur von 4 K durch, bei der die Aluminiumschicht normalleitend war. In diesem Fall erhielten sie für die Spinrelaxationslänge 450 nm. Diese Distanz legten die Elektronen durch Diffusion innerhalb einer Relaxationszeit von 40 ps zurück. Außerdem fanden die Forscher heraus, dass der Strom, der aus der ersten Elektrode kam, nur zu etwa zehn Prozent spinpolarisiert war.

Dann senkten sie die Temperatur auf 70 mK ab, sodass die Aluminiumschicht supraleitend wurde. Sie setzten das Spinventil unterschiedlich starken Magnetfeldern aus und bestimmten den nichtlokalen differentiellen Widerstand R_NL zwischen der zweiten Elektrode und der Aluminiumschicht (also die Veränderung der an diesem Kontakt abfallenden nichtlokalen Spannung bei Variation des injizierten Spinstroms) in Abhängigkeit vom lokalen Spannungsabfall U_L an der ersten Elektrode.

Der Widerstand R_NL enthielt einen in U_L symmetrischen Beitrag, der von den in den Supraleiter injizierten überschüssigen Ladungen herrührte und magnetfeldunabhängig war, sowie einen in U_L antisymmetrischen Beitrag, der auf die injizierten Spins zurückging und aufgrund des Zeeman-Effekts sehr stark vom Magnetfeld abhing. So ließ sich das Verhalten der Spins und der Ladungen voneinander unterscheiden. Anhand der Kurvenverläufe konnten die Forscher sowohl die Spinrelaxationszeit ermitteln als auch die Ladungsrelaxationszeit bestimmen, mit der die überschüssigen Ladungen in das supraleitende Kondensat eingebaut wurden und somit „verschwanden“.

Für die Spinrelaxationszeit erhielten sie 25 ns, für die Ladungsrelaxationszeit hingegen 3 ps. Spins und Ladungen entwickelten sich im Supraleiter also getrennt voneinander. Zudem kommen polarisierte Spins in Supraleitern unter dem Einfluss von starken Magnetfeldern mehr als zehnmal so weit wie im Normalleiter ehe sie durch Streuprozesse ihre einheitliche Ausrichtung verlieren. Das hatten Messungen von Hilbert von Löhneysen und seinen Kollegen am Karlsruher Institut für Technologie ergeben. Diese Stabilität der Spinströme könnte man in der Spintronik nutzen.

Die Trennung von Spin und Ladung stellt sich in der BCS-Theorie der Supraleitung so dar: In einem Supraleiter schließt sich ein Teil der Leitungselektronen zu Cooper-Paaren zusammen, die das BCS-Kondensat bilden. Unter dessen Einfluss werden aus den übrigen Elektronen negativ geladene Quasiteilchen, die eine normalleitende Fermi-Flüssigkeit bilden. Damit ein solches Quasiteilchen angeregt wird, muss es mindestens die Gap-Energie aufnehmen. Dabei hinterlässt es in der Fermi-Flüssigkeit ein positives „Quasiloch“. Ein Supraleiter, in den ein Spinstrom injiziert wird, nimmt zusätzliche Quasiteilchen auf, deren Spins bevorzugt in eine Richtung zeigen. Der Ladungsstrom klingt ab, wenn diese überschüssigen Quasiteilchen mit den schon vorhandenen Quasiteilchen in der Fermi-Flüssigkeit Cooper-Paare bilden. Dadurch wird ein Quasiteilchen durch ein Quasiloch ersetzt, das denselben Spin aber positive Ladung hat. So nimmt die injizierte Ladung ab, während die Spinpolarisation noch solange erhalten bleibt, bis die Spins der Quasiteilchen und Quasilöcher durch Streuprozesse zufällige Ausrichtungen bekommen.

Rainer Scharf

OD