Forscher erzielten Durchbruch in der Analyse der Spin-Bahn-Wechselwirkung in Halbleitern

Zürich, 13. Juli 2007—In der nächsten Ausgabe von Nature Physics wird eine Arbeit publiziert, in der die kontrollierte Manipulation von Elektronenspins mit elektrischen Feldern demonstriert und die relevante Wechselwirkung zum ersten Mal vollständig charakterisiert wird. Dieses Resultat ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Nutzung des Spins für Logikanwen-dungen in der Informationsverarbeitung. Die Forschungsarbeit entstand in einer Zusammenarbeit der IBM-Forscher Lorenz Meier und Gian Salis mit Ivan Shorubalko, Silke Schön, Emilio Gini und Klaus Ensslin von der ETH Zürich innerhalb des NCCR Nanoscience.

Der Eigendrehimpuls von Elektronen, auch Spin genannt, ist eine magnetische Information. Der Spin, mit dem jedes Elektron ausgestattet ist, verhält sich ähnlich wie eine Kompassnadel. Daher wird für die experimentelle Untersuchung von Spins üblicherweise ein magnetisches Feld benötigt. Um den Spin in logischen Bauteilen zu nutzen, wäre es jedoch vorteilhaft, wenn er mithilfe einer elektrischen Spannung "umgeklappt" werden könnte. Mittels des Effekts der Spin-Bahn-Kopplung wird dies möglich. Dieser relativistische Effekt bewirkt, dass bewegte Elektronen ein elektrisches Feld als ein magnetisches Feld wahrnehmen, das den Spin beeinflusst. In einem Halbleiter sind die Elektronen zwei solchen Spin-Bahn-Feldern ausgesetzt, die sich durch ihre Abhängigkeit von der Richtung der Elektronenbewegung unterscheiden.

Den Forschern ist es erstmals gelungen, diese beiden Felder separat zu messen und mit Hilfe eines elektrischen Feldes gezielt zu regulieren, um den Spinzustand zu ändern. Die Kenntnis beider Felder ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Nutzung des Spins für Logikanwendungen in der Informationsverarbeitung.

Die Spintronik, wie das Forschungsfeld allgemein bezeichnet wird, gehört zu den möglichen Si-CMOS-Nachfolgetechnologien, also zu jenen Technologien, die die derzeitige Chiptechnologie eines Tages ablösen könnten, wenn mit dieser keine weitere Leistungssteigerung mehr möglich ist. Dies wird in etwa 10 bis 15 Jahren der Fall sein. Dann werden radikal neue Technologien benötigt, um die Leistungsfähigkeit von Computerchips weiter zu steigern. Zu den Kandidaten für die CMOS Nachfolge zählen neben der Spintronik auch Kohlenstoffnanoröhrchen, Nanodrähte, die molekulare Elektronik sowie Quantencomputing.

Die wissenschaftliche Arbeit mit dem Titel "Measurement of Rashba and Dresselhaus spin-orbit magnetic fields" von Lorenz Meier, Gian Salis, Ivan Shorubalko, Emilio Gini, Silke Schön und Klaus Ensslin, erscheint in Nature Physics Online am 15. Juli 2007.

Das IBM Forschungslabor Zürich

Das IBM Forschungslabor in Zürich (ZRL) ist der europäische Zweig der IBM-Forschung, die mit weltweit rund 3500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an acht Standorten die grösste industrielle Forschungsorganisation darstellt. Das Zürcher Forschungslabor hat derzeit 320 MitarbeiterInnen und vereint mehr als dreissig verschiedene Nationalitäten. Das Forschungslabor wurde 1956 gegründet und ist bekannt für seine herausragenden technischen Innovationen und wissenschaftlichen Leistungen, darunter zwei Nobelpreise. Das Spektrum der Forschungsaktivitäten reicht von der technischen Grundlagenforschung über die Entwicklung von Computersystemen und Software bis zum Entwurf neuartiger Geschäftsmodelle und Dienstleistungen.