Forscher haben einen neuen, grundlegenden Effekt entdeckt, der eine Verstärkung von Spinströmen möglich macht. Damit hat das Forscherteam einen wichtigen Baustein für so genannte spintronische Geräte realisiert, die – so eine Zukunftsvision – durch Spinströme eine Datenübertragung in bislang unerreichbarer Schnelligkeit möglich machen sollen.
Der Elektronen-Spin ist eine quantenmechanische Größe, die eine Art Drehbewegung der Elektronen mit einem entsprechenden Drehimpuls beschreibt. Der Spin kann zwei Orientierungen zu einer vorgegebenen Achse einnehmen – oben oder unten. „Man kann sich den Spin eines Elektrons als Pfeil vorstellen. Zeigen die Pfeile nicht zufällig nach oben oder unten, sondern alle in eine Richtung, fließt zusammen mit dem elektrischen Strom ein Spinstrom, wenn Elektronen in Bewegung sind“, sagt Professor Sergej Demokritov von der Universität Münster, der Leiter der neuen Studie.
Spinströme ermöglichen schnelle Datenübertragung
Elektrische Ströme nutzt man in alltäglicher Elektronik. Spinströme bilden die Basis für Spintronik. In einem spintronischen System ermöglichen die Spinströme eine schnelle Datenübertragung, -bearbeitung und -speicherung. Durch die Spintronik, so die Vision der Wissenschaftler, könnte einst der Quantencomputer Wirklichkeit werden, der die leistungsstärksten Supercomputer von heute bei Weitem übertrifft.
Während elektrischer Strom immer weitergeleitet wird, „versiegt“ der Spinstrom jedoch, weil die Pfeile sich mit der Zeit wieder zufällig anordnen. Entsprechend wird Drehimpuls an das Kristallgitter übergeben. „Um dies zu verstehen, stellt man sich am besten zwei miteinander verbundene Wasserbecken vor“, erklärt Demokritov, der zusammen mit Kollegen der Universität Cambridge, England, in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ über die neuen Ergebnisse berichtet.
Drehimpuls-Fluss umgekehrt
„Das eine Becken repräsentiert ein Kristallgitter, das aus einzelnen Atomen besteht. Das andere Becken stellt ein magnetisches System innerhalb des Gitters dar, das wir durch ein äußeres Magnetfeld angeregt haben. Aus dem einen Becken fließt das Wasser in das andere Becken, bis der Wasserstand gleich ist. Ähnlich ist es mit dem Spin oder Drehimpuls. Überschüssiger Drehimpuls aus dem magnetischen System wird auf die Atome des Kristallgitters übertragen. Am Ende fließt kein Spinstrom mehr.“
Den Physikern ist es nun erstmals gelungen, den Drehimpuls-Fluss umzukehren. Der entdeckte Effekt sorgt dafür, dass das Kristallgitter selbst Drehimpuls an das magnetische System abgibt und dort den Spinstrom verstärkt. „Dadurch ist ein Spinstrom-Transistor realisiert worden. Analog einem herkömmlichen Transistor, der elektrische Signale verstärkt, kann er in spintronischen Geräten eingesetzt werden“, erklärt Demokritov. (Nature Materials, 2011; DOI:10.1038/nmat3053)
(Universität Münster, 05.07.2011 – DLO)
