21.08.2020

Wie Elektronen in magnetischen Oxiden reagieren

Ladungsanregung ändert die Elektronenspins in Metalloxiden schnell und phasengleich.

In der modernen Halbleiter­elektronik ist das Anheben von Elektronen über die Bandlücke des Halbleiters der zentrale erste Schritt in jedem Transistor: Elektronen müssen sich durch ein eigentlich nichtleitendes Material bewegen. „Nach der Anregung über die Band­lücke erzeugen die bewegten elektrischen Ladungen der Elektronen die Ströme, die zur Informations­verarbeitung verwendet werden, die aber auch jeden Prozessor heiß werden lassen und so zu Energie­verlusten führen", erklärt Wolf Widdra vom Institut für Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU).
 

Abb.: Gemessene Werte der Spin­dynamik (Bild: K. Gill­meister et al. /...
Abb.: Gemessene Werte der Spin­dynamik (Bild: K. Gill­meister et al. / Springer Nature)

Die Spintronik versucht, dieses Problem mit Hilfe der Spins zu lösen. Kopplungen von elektronischen und magnetischen Eigenschaften bestimmen dabei die Funktionsweise. „Eine wichtige Material­klasse für die Spintronik sind magnetische Oxide, da sie nur magnetische Informationen, aber keine Elektronen­ströme, weiterleiten“, sagt Widdra, der die Studie im Rahmen des gemeinsamen Sonder­forschungs­bereichs SFB/TRR 227 „Ultraschnelle Spindynamik“ der MLU und der Freien Universität Berlin, leitete. Bislang war jedoch kaum verstanden, wie die Übertragung des Elektrons über die Bandlücke an die Spins des magnetischen Oxides ankoppelt. Dem Team ist es nun gelungen, diesen Vorgang zu beobachten und dafür eine neue Theorie zu entwickeln. Hierfür arbeiteten verschiedene Gruppen aus der theoretischen und der experimentellen Physik zusammen.

Mit Hilfe eines modernen Ultra­kurz­puls­lasers konnten die Forscher ein Elektron so anregen, dass es in Nickel­oxid über die Bandlücke gehoben wird und auch beobachten, wie die Information dann in das magnetische System übertragen wird. So konnte das Team einen bislang unbekannten ultraschnellen Kopplungs­mechanismus identifizieren, der auf der Skala von Femto­sekunden abläuft, also dem Billiardsten Teil einer Sekunde. 

„Die komplizierten Vielteilchen­eigenschaften, die durch die Anregung des Elektrons durch den Laser entstehen, haben uns diese überraschende Beobachtung beschert, aber auch ein langes Kopf­zerbrechen für die richtige Deutung“, sagt Widdra weiter. Die Erkenntnisse bereiten nun die Grundlage für eine ultraschnelle Spintronik, so der Physiker. Langfristig soll das dabei helfen, neue ultraschnelle Speicher­systeme und Informations­technologien zu entwickeln.

MLU / DE
 

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