Wie Elektronen die Kurve kriegen
Physiker entwickeln neuartigen Spin-Transistor aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit ferromagnetischen Streifen.
Die Nachfrage nach Technologien, die immer schnellere Rechenprozesse ermöglichen oder die Speicherung immer größerer Datenmengen erlauben, ist riesig. Jedoch gerät die konventionelle Elektronik allmählich an ihre Grenzen: Schnellere Transistoren führen zu extrem hohem Energieverbrauch und enormer Hitzeproduktion. Forscher auf der ganzen Welt sind deshalb auf der Suche nach neuen Methoden, die die Elektronik revolutionieren könnten. Große Hoffnungen ruhen auf der Spinelektronik – der Nutzung der Spineigenschaften von Elektronen. Um diese aber für die Datenverarbeitung oder Datensicherung zu nutzen, ist es nötig, den Spin gezielt zu kontrollieren oder zu manipulieren.
Abb.: Der neuartige Transistor mit den ferromagnetischen Dysprosium-Streifen. Im adiabatischen Fall bildet sich im zweidimensionalen Elektronengas eine Spin-Helix. (Bild: Betthausen et al. / AAAS)
Einem Team der Universität Regensburg ist nun zusammen mit Kollegen der Polnischen Akademie der Wissenschaft in Warschau gelungen, ein neuartiges Spin-Transistorprinzip zu entwickeln, mit dem sie die Spin-Polarisation des elektrischen Stroms „an“ und „aus“ schalten können. In konventionellen Transistoren macht dies der Stromfluss durch ein elektrisches Feld. Dem gegenüber steuerten die Regensburger in ihrem transistorähnlichen Bauelement – bestehend aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit aufgeprägten ferromagnetischen Streifen – den Stromfluss durch Manipulation der Spineigenschaften der Elektronen.
Die Regensburger Physiker können mit ihrem neuen Verfahren nicht nur den elektrischen Stromfluss in ihrem transistorähnlichen Bauelement steuern, sondern auch die Spin-Polarisation des Elektronenflusses – also das Verhältnis zwischen spin up-Elektronen und spin down-Elektronen – kontrollieren und verändern. Dafür nutzen sie ein extern angelegtes Magnetfeld. Im „An-Modus“ bewegen sich die Elektronen ungehindert in der Struktur, während ihre Spinausrichtung einem sich räumlich verändernden magnetischen Streufeld folgt, das von den ferromagnetischen Streifen ausgeht. Im „Aus-Modus“ steht das Magnetfeld so, dass die Spins nicht mehr dem rotierenden Streufeld folgen können und auf eine energetisch verbotene Bahn mit entgegen gesetztem Spin „ausweichen“ müssen – der Strom nimmt ab.
UR / OD
