Erstmals ist es Forschern gelungen, magnetisch polarisierte Elektronen mit elektrischen Feldern zu beeinflussen. Diese jetzt in „Nature Materials“ veröffentlichte Entdeckung könnte es ermöglichen, die Eigenschaften von Elektronen in einem Computerchip gleichzeitig für Verarbeitung und Speicherung von Daten zu nutzen. In Zukunft könnte dies die Entwicklung erheblich sparsamerer und leichterer elektronischer Geräte aller Art ermöglichen.
{1l}
Die sogenannte «Spintronik» hat sich rasch zu einer global verwendeten Technik für Computerfestplatten entwickelt. Elektronische Bauteile, die abwechselnd aus dünnen magnetischen und unmagnetischen Schichten bestehen, nutzen die magnetischen Eigenschaften – den Spin – der Elektronen, um Daten und Informationen, die auf einer Festplatte gespeichert sind, auszulesen. Grundlage dafür ist der physikalische Effekt «Riesen-Magneto-Widerstand» (oder GMR-Effekt). Die Speicherkapazität verschiedener Laufwerke konnte damit in den Gigabite-Bereich gesteigert werden. Die Datenverarbeitung im Computer beruht hingegen darauf, dass die elektrisch geladenen Elektronen in einer winzigen Schaltung fließen, die in einem Mikrochip geätzt sind.
Brücke zwischen magnetischer Speicherung und elektrischer Verarbeitung
Jetzt hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftler des Queen Mary College der Universität von London, der Universität Freiburg und des Paul Scherrer Instituts (PSI), erstmals experimentell gezeigt, dass die heute noch getrennte magnetische Speicherung und elektrische Verarbeitung durch Spintronik eines Tages verschmelzen könnten. Im Experiment gelang es ihnen erstmals, magnetische polarisierte Elektronen durch elektrische Felder zu beeinflussen und damit eine entscheidende Brücke zu schlagen.
Myonenbeschuss zeigt Spinverhalten
Die Wissenschaftler untersuchten dafür, wie Schichten von Lithiumfluorid (LiF), das ein inneres elektrisches Feld besitzt, die Spins der Elektronen verändern können, die durch ein solches Dünnschichtsystem fließen. Die Experimente wurden am Paul Scherrer Institut, dem
einzigen Ort weltweit, an dem ein geeignetes Verfahren zur Verfügung steht, durchgeführt.
«In einem solchen Experiment schießt man Myonen in das Material hinein. Wenn die Myonen dann zerfallen, tragen die Zerfallsprodukte Information über magnetische Prozesse im Inneren des Materials», erklärt Andreas Suter vom PSI. «Das einzigartige an niederenergetischen Myonen ist, dass man sie gezielt in eine bestimmte Schicht eines Dünnschichtsystems hineinschießen kann. So kann man mit diesem Verfahren den Magnetismus jeder einzelnen Schicht getrennt untersuchen.»
Elektrisches Feld kontrolliert Spin
«Während es einfach ist, sich theoretisch vorzustellen, wie man in einem Bauteil Spin und Ladung der Elektronen kombinieren kann, haben wir als erste gezeigt, dass es möglich ist, Spins gezielt mit Hilfe elektrischer Felder zu kontrollieren», erläutert Professor Christian Bernhard vom Physikdepartment der Universität Freiburg. «Mit dem verwendeten spektroskopischen Verfahren der Spinrotation mit niederenergetischen Myonen konnte die Spinpolarisation in der Nähe verborgener Grenzflächen in der Dünnschichtanordnung sichtbar gemacht werden.“
Energiesparende und leichtere Geräte
«Das Spannende ist, dass wir diese Entdeckung an flexiblen organischen Halbleitern gezeigt haben – Materialien, aus denen Handydisplays, Fernseher und Computermonitore der nächsten Generation bestehen dürften. Unsere Entdeckung könnte bedeuten, dass solche Geräte in Zukunft deutlich
energieeffizienter und leichter sein werden», erklärt Forschungsleiter Alan Drew der Physikfakultät von Queen Mary.
(Paul Scherrer Institut (PSI), 15.12.2010 – NPO)
