Nanodrähte sind gleich auf zweierlei Weise anziehend: Sie gelten als vielversprechende Bauelemente der „Spintronik“ – und sie können magnetisch sein. Die ferromagnetischen Eigenschaften von Kobalt-dotierten Nanodrähte aus Zinkoxid hat jetzt ein deutsch-chinesisches Forscherteam erstmals nachgewiesen. Ihre Ergebnisse werden jetzt in der aktuellen Online Ausgabe von „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.
Während die traditionelle Halbleiterelektronik auf den elektrischen Ladungen der Elektronen beruht, nutzt die so genannte Spintronik zusätzlich den Spin – den Eigen-Drehimpuls – der Elektronen aus. „Dieser Impuls kann in zwei verschiedenen Richtungen auftreten, woraus ein magnetisches Moment resultiert“, erläutert Carsten Ronning, Professor für Festkörperphysik an der Universität Jena. Er ist auf die Erforschung von Nanodrähten spezialisiert.
Schalten mit nur einem Elektron
Eine solche Neuentwicklung hätte handfeste Vorteile. So benötigen gängige elektronische Bauelemente etwa 10.000 bis 100.000 Elektronen für einen einzelnen Schaltvorgang. Halbleiterbauelemente, die nur den Spin von Elektronen schalten, kommen mit einem einzelnen Elektron aus, um die notwendige Information zu transportieren. „Das bedeutet, dass Spintronik-Halbleiter sehr viel schneller schalten könnten, als herkömmliche elektronische Bauelemente“, so Ronning. Zudem würden diese mit einem Bruchteil an Strom auskommen.
Voraussetzung für die praktische Weiterentwicklung der Spintronik ist jedoch, dass sich Halbleiter mit intrinsischen ferromagnetischen Eigenschaften überhaupt herstellen lassen. Daran wird seit rund einem Jahrzehnt weltweit intensiv geforscht – bislang jedoch mit mäßigem Erfolg. „Bisher gab es keine
Methode, die eindeutig den intrinsischen Ferromagnetismus nachweisen konnte.“ Dank der Jenaer Physiker und ihrer chinesischen Kollegen ist man nun einen entscheidenden Schritt weiter.
Kobalt-Dotierung macht Drähte magnetisch
Für die vorliegende Arbeit haben Ronning und sein Team das Jenaer Knowhow in der Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen und deren optischer Charakterisierung genutzt und Zinkoxid-Drähte dotiert. Diese wurden dann von den chinesischen Kollegen um Professor Quan Li, eine ausgewiesene Expertin im Bereich Elektronenmikroskopie, auf ihre magnetischen Eigenschaften untersucht.
„Wir haben festgestellt, dass die Kobalt-Dotierung den Nanodrähten intrinsische ferromagnetische Eigenschaften verleiht, während Eisen das nicht kann“, kommentiert Li das überraschende Ergebnis. „Im Prinzip funktionieren diese dann wie winzige Stabmagneten“, ergänzt Ronning. Weitere Untersuchungen sollen nun klären, worauf die Unterschiede beruhen.
(Universität Jena, 14.07.2009 – NPO)
