Spintronik mit Nanowürfeln

Die Spintronik gilt als zukunftsträchtiges Feld in der Physik. Sie verspricht schnellere Elektronikbauteile, empfindlichere Sensoren oder neue Ansätze für den Quantencomputer. Allerdings sind noch grundlegende Fragen offen. Antworten darauf suchen ab April das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und das Interdisziplinäre Zentrum für Nanowissenschaften Marseille (CINaM) im gemeinsamen Forschungsprojekt Nano-PLASMAG. Im Fokus stehen nanometerkleine, regelmäßig geformte Würfel aus purem Gold. Sie sollen als eine Art Dolmetscher dienen und Licht möglichst effektiv an Nanomagnete koppeln, um deren Zustand beeinflussen zu können.

Ebenso wie die konventionelle Elektronik basiert die Spintronik (Spin-Elektronik) auf Elektronen als Träger der Information. Allerdings nutzt sie nicht nur deren elektrische Ladung, sondern eine weitere Teilcheneigenschaft – den Spin, also den quantenphysikalischen Eigendrall. Der Vorteil: Anders als bei herkömmlicher Elektronik müssen bei einem Rechenprozess keine Ladungen transportiert werden, was zwangsläufig mit Verlusten behaftet ist. Das Material heizt sich auf. Stattdessen werden nur, ähnlich wie bei einem Staffelstablauf, die Spin-Anregungen von einem Elektron zum anderen weitergegeben. Im Prinzip lassen sich dadurch Informationen verlustärmer und effizienter weiterleiten, etwa indem sie als magnetische Anregung in Form einer Spinwelle durchs Material rasen.

Seit langem befasst sich die Forschung damit, solche magnetischen Anregungszustände effektiv erzeugen und gezielt manipulieren zu können, um die Voraussetzung für den Bau nutzbarer Komponenten zu schaffen. Meist basieren die Ansätze darauf, Spinwellen mit Strom- und Magnetpulsen oder auch mit kurzen, starken Laserblitzen auszulösen. Dagegen ist eine andere Variante bislang nur wenig erforscht: die Erzeugung magnetischer Anregungen mit schwachem Licht, wie es etwa aus einer LED kommt. „In der Elektronik lässt sich Licht schon lange nutzen, um Bauteile zu beeinflussen. Man denke nur an Solarzellen oder Lichtsensoren“, erläutert HZDR-Forscherin Aleksandra Lindner. „Bei der Spintronik stehen wir da noch am Anfang.“

Das Problem: Magnetische Anregungen in Spintronik-Materialien lassen sich nur sehr ineffizient durch Licht beeinflussen. Deshalb braucht es eine Zwischeninstanz, um das Licht in andere Anregungszustände zu verwandeln, die dann letztlich mit dem magnetischen System „sprechen“ können. Beim Projekt Nano-PLASMAG sollen nanometerkleine Würfelchen aus Gold diese Dolmetscherfunktion übernehmen. „Unsere Projektpartner aus Frankreich, das Team um Olivier Margeat von der Universität Aix-Marseille, sind in der Lage, mit chemischen Verfahren solche Würfel gezielt und präzise herzustellen“, schwärmt Lindner. „Das ist wirklich eine Kunst.“ Unter dem Mikroskop ähneln die Winzlinge gewöhnlichen Zuckerwürfeln, wobei einer aussieht wie der andere.

Die Goldwürfel werden auf einer dünnen magnetischen Schicht platziert, also auf dem eigentlichen Spintronik-Material. Fällt Licht darauf, geraten die Nano-Kuben in eine Art Quanten-Resonanz, bei der die Leitungselektronen in ihnen kollektiv schwingen und dadurch das Licht besonders wirkungsvoll absorbieren. Die Größe der Würfel bestimmt, welche Farbe absorbiert wird – ob rot, blau oder grün.

Diese effektive Lichtabsorption kann zwei Folgen haben: Zum einen erhitzen sich die Würfel durch die Reibung der Elektronenschwingungen, zum anderen erzeugt die Schwingung der geladenen Teilchen ein zeitabhängiges elektromagnetisches Feld. „Unsere Hoffnung ist, dass sich dadurch vorhandene Anregungszustände in der dünnen Magnetschicht gezielt manipulieren lassen“, sagt Lindner. „Und vielleicht lassen sich magnetische Anregungen sogar auf direktem Weg erzeugen.“

Um ihre Hypothesen zu überprüfen, planen die Fachleute in den kommenden drei Jahren diverse Experimente, insbesondere an der HZDR-Anlage TELBE im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Angetrieben durch einen Teilchenbeschleuniger erzeugt TELBE intensive Terahertz-Pulse – Terahertz ist der Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. „Bekannt ist, dass Terahertz-Pulse Spinwellen in einer magnetischen Schicht hervorrufen können. Genau das wollen wir in unseren Experimenten machen, um nachzusehen, ob die mit Licht bestrahlten Goldwürfel irgendeinen Effekt auf die Spinwellen haben“, erläutert HZDR-Physiker Ruslan Salikhov. Unter anderem wollen die Fachleute dabei herausfinden, welche Anordnungen und Größen der Nanowürfel am besten funktionieren.

Weitere Versuche sollen zeigen, ob schwache Laserblitze in der Lage sind, mithilfe der Nanowürfel Anregungen in der Magnetschicht zu erzeugen. „Womöglich entstehen dabei Spinwellen mit Terahertz-Frequenzen“, spekuliert Salikhov. „Derzeit funktioniert die Spintronik typischerweise im Gigahertz-Bereich. Terahertz-Frequenzen sind deutlich höher und würden in Zukunft viel schnellere Bauteile ermöglichen.“ Auch für das „Energy Harvesting“ – so nennt sich die Gewinnung kleiner Energiemengen aus der Umgebung – könnte das Konzept perspektivisch taugen.

Neben der Goldwürfel-Methode versucht sich das Team um Aleksandra Lindner derzeit an einem weiteren Verfahren: Im deutsch-polnischen Projekt MAGPHOT werden sogenannte chirale organische Moleküle auf ihre Tauglichkeit als Spinwellen-Manipulatoren untersucht. In solchen Molekülen lassen sich durch Lichtabsorption sehr effektiv bewegliche Elektronen erzeugen. Die chirale Struktur der Moleküle filtert den Spin der geladenen Teilchen, sodass die Moleküle im Idealfall nur Elektronen mit identischem „Drehsinn“ passieren lassen. Diese nach ihrem Spin gefilterten Elektronen können dann direkt mit der dünnen Magnetschicht, auf der die Moleküle aufgebracht sind, wechselwirken und sie beeinflussen. Die Frage, welcher Ansatz mehr Erfolg verspricht – ob chirale Moleküle oder Goldwürfel – werden die Experimente in einigen Jahren hoffentlich beantworten.

Das dreijährige Forschungsprojekt Nano-PLASMAG wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und ihrem französischen Pendant, der Nationalen Französischen Forschungsagentur (ANR) gefördert. Start ist am 1. April 2024, die Fördersumme beträgt für beide Seiten rund eine halbe Million Euro. Neben dem HZDR ist das Interdisziplinäre Zentrum für Nanowissenschaften Marseille (CINaM) beteiligt – eine dem CNRS, also dem Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung Frankreichs, und der Universität Aix-Marseille angeschlossene Forschungseinrichtung.

Beim Forschungsprojekt Projekt MAGPHOT handelt es sich um eine polnisch-deutsche Kollaboration, gefördert durch die DFG und das National Science Centre Poland (NCN) in Höhe von einer halben Million Euro. Partnereinrichtung des HZDR ist die Adam Mickiewicz Universität (AMU) in Poznan.

HZDR / DE