Schräg gewickelte Kohlenstoff-Nanoröhrchen sorgen für eine Überraschung: Denn entgegen aller Erwartungen entpuppten sie sich in einem hohen Magnetfeld als eine Art Spin-Filter: Je nach Höhe des Felds lassen sie jeweils nur Elektronen einer Spinrichtung durchfließen. Dieses jetzt in „Physical Review B“ veröffentlichte Ergebnis liefert erstmals eine verlässliche Methode, um in einem für die Nano-Elektronik geeigneten Material den Spin wunschgemäß einzustellen.
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Nano-Röhren bestehen aus aufgerolltem Graphen, einer genau eine Atomlage starken Schicht aus Maschendrahtzaun-ähnlich angeordneten. Abhängig davon, wie das Graphen-Blatt zu einem Röhrchen aufgewickelt ist – gerade oder schief –, erhält man einen isolierenden Halbleiter oder ein leitfähiges Metall. Sowohl diese elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Röhren lassen sie für neue Technologien wie die Nano-Elektronik als besonders geeignet erscheinen. Bei Festigkeiten, die die von Stahl um ein Vielfaches übertrifft, können die Röhren hohe Ströme transportieren und die dabei entstehende Wärme hervorragend abführen.
Elektronenfluss durch schräge Nanoröhrchen
Wissenschaftler von Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) und den Universitäten Regensburg und Delft haben nun bei schräg aufgewickelten Nanoröhrchen eine überraschende Entdeckung gemacht. Für ihre Versuche stellten die Forscher zunächst Nano-Röhren mit Durchmessern von rund eineinhalb Nanometern und Längen von einigen zehn Mikrometern her und schlossen diese an elektronische Kontakte an, um ihre elektronischen Eigenschaften in hohen Magnetfeldern untersuchen zu können. Bei den winzigen Dimensionen der Nano-Röhren können sich Elektronen nur in ganz bestimmten Bahnen mit festgelegten Energien in ihnen bewegen. Bei leitfähigen, schräg aufgewickelten Nano-Röhrchen ist die Bahn der Elektronen zusätzlich mit ihrem Spin – der Richtung ihrer Eigendrehung – gekoppelt.
Magnetfeldstärke bestimmt Spin-Durchlässigkeit
Den Wissenschaftlern gelang es nun, abhängig von einem von außen angelegten Magnetfeld alle Spins der schrägen Nanoröhrchen erst in die eine, dann in die andere Richtung zu schalten: Das schräg aufgerollte Nano-Röhrchen aus Kohlenstoff war bei Magnetfeldstärken von drei und elf Tesla jeweils entgegengesetzt spinpolarisiert: Bei drei Tesla zeigten alle Spins in die eine, bei elf in die andere Richtung. Allerdings funktioniert der neue Spinfilter derzeit nur bei tiefen Temperaturen von wenigen Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt.
Damit existiert erstmals eine verlässliche Methode, um in einem für die Nano-Elektronik geeigneten Material den Spin wunschgemäß einzustellen. Dieses Ergebnis ist umso erstaunlicher, als bisher davon ausgegangen wurde, dass die Kopplung der Elektronenspins an die Bahnbewegung bei Kohlenstoff-Nanoröhren kaum eine Bedeutung habe.
Fortschritt für Spintronik
Die aktuellen Ergebnisse der Experimente sind ein wichtiger Schritt auch für die Spintronik. Da der Spin der Elektronen genau zwei Richtungen oder Zustände einnehmen kann, weisen sie eine Schalt-Eigenschaft auf, die einen Einsatz für neuartige Speichertechnologien ermöglichen könnte. Dabei gab es jedoch bisher ein grundlegendes Problem: es fehlte ein Bauelement, mit dem die Richtung der Spins nach Wunsch eingestellt werden konnte. Die schrägen Nanoröhrchen könnten dies nun möglicherweise bieten.
(Forschungszentrum Dresden – Rossendorf, 04.08.2010 – NPO)
