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Dienstag, 14.08.2012
IBM Rüschlikon auf dem Weg zu "Spintronik"

Spinhelix IBM
Das durch den Spin beeinflusste magnetische Moment eines Elektrons könnte die elektrische Ladung als Informationsträger bei Halbleitern eines Tages ablösen. IBM-Forscher in Rüschlikon haben jetzt einen wichtigen Schritt in diese Richtung gemacht.
 
Je feiner die Halbleiterstrukturen und je kleiner die Schaltkreise, desto mehr stösst man an physikalische Grenzen, wo eine Kontrolle des Elektronenflusses für die elektrische Ladung als Informationsträger kaum noch möglich ist. Ein Ausweg aus dem Dilemma könnte ein neues Forschungsgebiet aus dem Bereich der Nanoelektronik sein, das sich Spintronik nennt, zusammengesetzt aus den Wörtern Spin und Elektronik.
 
Spin bezeichnet das vom Eigendrehimpuls bestimmte magnetische Moment des Elektrons als möglichen neuen Informationsträger, mit dem Computer und Speicherchips weit energieeffizienter und leistungsfähiger werden könnten. Nur sind die Elektronenspins bildlich gesprochen ziemlich "impulsiv", ändern sie doch normalerweise kontinuierlich ihre Ausrichtung und verlieren sie nach kurzer Zeit ihre Orientierung, wie der Physiker Gian Salis bei IBM Research Zürich in Rüschlikon erklärt. Unter extrem niedrigen Temperaturen von minus 233 Grad Celsius ist es ihm und seinem Team gelungen, "die Änderung der Spinausrichtung auf eine spezielle Weise mit ihrer Bewegungsrichtung zu koppeln" und so eine "perfekte Choreographie" herbeizuführen, in der alle Spins örtlich die exakt gleiche Ausrichtung erfahren.
 
Wie beim Wiener Walzer
In einer Pressemitteilung vergleicht Salis diese Synchronität mit der beim Wiener Walzer, wo alle Damen, geführt von ihren männlichen Partnern, in die gleiche Richtung schauen.
 
Geradezu poetisch auch die Pressemeldung aus Rüschlikon: "IBM-Forscher lassen Elektronenspins im Reigen tanzen." Der Titel lädt zum Lesen ein, aber so leicht verdaulich wie er klingt, ist die Lektüre nicht.
 
Da heisst es, dass es den IBM-Physikern in Zusammenarbeit mit Forschern der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich nun erstmals gelungen sei, Elektronenspins synchron rotieren zu lassen und "das Auftreten einer beständigen Spinhelix in einem Halbleiter" direkt abzubilden. Das Wort Helix steht für die in der Natur zum Beispiel als Doppelhelix der DNA sehr häufig auftretende zylindrische Spirale. Eine solche Spirale scheint in der Abbildung, wie Salis einräumt, "nicht direkt sichtbar, da aufgrund der experimentellen Methode nur eine bestimmte Komponente des Spins gemessen werden kann". Durch eine zusätzliche Drehung des Spins mittels eines Magnetfeldes konnte jedoch in der gemessenen "räumlichen und zeitlichen Ausbreitung dieser Spinkomponente die helische Struktur bewiesen werden", wobei sich die Spins, von einer lokalisierten Anregung im Raum ausgehend, ausbreiteten und dabei synchron drehten. Festgehalten wurde die synchrone Spinbewegung mit einer speziellen zeitaufgelösten Rastermikroskop-Technik, welche die Ausrichtung der Elektronenspins mit polarisierten Laserpulsen abbildet.
 
"Ausbreitung in Raum und Zeit"
Die Forscher konnten in ihrem Experiment beobachten, wie sich die Elektronenspins in einem Halbleiter auf Gallium-Arsenid- oder kurz GaAs-Basis, der von den Kollegen des Labors für Festkörperphysik der ETH Zürich "gewachsen wurde", unter Beschuss von ultrakurzen Laserpulsen über eine Distanz von 20 Mikrometern ausbreiteten und synchron drehten. Die Wissenschaftler sehen das als wichtigen Schritt, um den Spin in elektronischen Bauelementen künftig gezielt manipulieren und kontrollieren zu können.
 
Ausserdem haben die IBM- und ETH-Forscher vom Labor für Festkörperphysik zusammen im renommierten Wissenschaftsmagazin 'Nature Physics' gezeigt, dass sich durch die Spinhelix die Lebensdauer eines Spins um das 30-fache auf 1,1 Nanosekunden verlängert. Damit bleibt der Spin für die Dauer des Zyklus eines 1-GHz-Prozessors erhalten.
 
War bisher noch nicht klar, ob sich spincodierte Informationen lange genug erhalten lassen, konnten die Forscher nun anhand der gemessenen Materialparameter die Spinlebensdauer genau um den erwarteten Wert verlängern. Somit ist für sie der Nachweis erbracht, dass sich der "limitierende Mechanismus" beeinflussen lässt, um die Spinlebensdauer weiter zu optimieren.
 
Weiter Weg bis zum Spinhalbleiter
Bis zum spinbasierten Halbleiter ist es allerdings noch ein weiter Weg. Eine grosse Herausforderung ist es zum Beispiel, den Vorgang bei annähernd Zimmertemperatur herbeizuführen und nicht nur bei extremen Minustemperaturen, die wie im Experiment von IBM nötig waren, um die Interaktion des Elektronenspins mit der Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren.
 
Anders als bisher wäre in der Spintronik nicht die Verschiebung der Ladung entscheidend für den binären Zustand 0 oder 1, sondern die Richtung oder Ausrichtung des Spins, womit laut IBM wesentlich energieeffizientere Rechner und Speicherbausteine möglich wären.
 
Im Mai konnten Wissenschaftler der Universität Würzburg bereits erstmals die Spin-Architektur einer ultradünnen Metallschicht auf einem Halbleiter beschreiben. Wie der Physiker Jörg Schäfer in 'Win Future.de' zitiert wird, sollte man sich das so vorstellen, "als ob jedes Elektron einen winzig kleinen Elementarmagneten trägt, wie eine Kompassnadel." Um den Spin für die Elektronik zu nutzen, müsse es gelingen, "die in einem Halbleiter fliessenden Elektronen nach ihrem Spin-Zustand zu ordnen", so Schäfer.
 
Anwendung findet die Spintronik in Metallen übrigens schon bei Dünnschicht-Leseköpfen von Festplatten unter Verwendung des GMR- oder TMR-Effekts (Riesenmagneto- und magnetischer Tunnelwiderstand), wodurch sich die Kapazität der Platten, wie zunächst von IBM vorgeführt, deutlich steigern lässt. Für den Nachweis des GMR-Effekts haben Albert Fert und Peter Grünberg 2007 den Nobelpreis für Physik verliehen bekommen. (Klaus Hauptfleisch)
 
(Abbildung: Die Abbildung zeigt laut IBM die gemessene räumliche und zeitliche Ausbreitung einer Spinhelix, wobei sich die Spins synchron drehen. Sie wurde von IBM zur Verfügung gestellt.)
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