IBM Forscher lassen Elektronenspins im Reigen tanzen

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Zürich, Schweiz, 13. August 2012 — Physiker bei IBM Research – Zürich (NYSE: IBM) haben einen Durchbruch in der Erforschung des Elektronenspins für zukünftige Speicher- und Logikanwendungen erzielt. Sie konnten erstmalig das Auftreten einer beständigen Spinhelix in einem Halbleiter direkt abbilden, bei der Elektronenspins synchron rotieren. Die neu gewonnenen Erkenntnisse helfen, um den Spin in elektronischen Bauelementen gezielt zu manipulieren und zu kontrollieren. Damit sind sie für die praktische Anwendung der Spintronik von zentraler Bedeutung.

In der im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature Physics veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher von IBM Research und dem Labor für Festkörperphysik der ETH Zürich zudem, dass sich durch die Spinhelix die Lebensdauer eines Spins um das 30-fache auf 1,1 Nanosekunden verlängert. Dies entspricht der Taktrate eines 1-GHz-Prozessors — also der Zeit, die für einen Verarbeitungsschritt benötigt wird. Bislang war unklar, ob Elektronenspins die Fähigkeit besitzen, die codierte Information lang genug vor einer Änderung des Spinzustands zu erhalten. Die nun demonstrierte Verlängerung der Spinlebensdauer entspricht genau dem aufgrund von gemessenen Materialparametern erwarteten Wert. Damit haben die Forscher den limitierenden Mechanismus nachgewiesen und können in einem nächsten Schritt weitere Optimierungen vornehmen.

Heute werden Informationen in Computerchips mit der elektrischen Ladung des Elektrons codiert und verarbeitet. Mit zunehmender Verkleinerung der Schaltelemente nähert sich diese Technologie jedoch physikalischen Grenzen, jenseits derer eine Kontrolle des Elektronenflusses kaum mehr möglich ist. Die Spintronik stellt einen möglichen Ansatz dar, um diese sich abzeichnende Sackgasse zu überwinden. Sie verwendet anstelle der Ladung das magnetische Moment des Elektrons. Dieses magnetische Moment stammt vom Eigendrehimpuls des Elektrons und wird Spin genannt. Die Grundeinheit der digitalen Informationsverarbeitung, ein Zustand 0 oder 1, wäre in solchen Bauteilen die Richtung des Spins. Da spinbasierte Elektronik nicht auf dem Verschieben von Ladung basiert, sondern auf einer Änderung des Spinzustands, könnte die Spintronik weitaus energieeffizientere Computer und Speicher ermöglichen.

Synchrone Spinbewegungen

In ihrem Experiment beobachteten die IBM Forscher wie Elektronenspins sich in einem Halbleiter über eine Distanz von 20 Mikrometern ausbreiten, wobei sich sämtliche Spins synchron drehen. Eine so genannte Spin-Helix war bislang noch nie in einem Halbleiter beobachtet worden. Der IBM Physiker Dr. Gian Salis erklärt hierzu: „Normalerweise würden unsere Spins alle unterschiedlich schnell rotieren und nach kurzer Zeit ihre Ausrichtung verlieren. Wir können nun die Drehgeschwindigkeit der Spins auf eine spezielle Weise mit ihrer Bewegungsrichtung koppeln. Daraus resultiert eine perfekte Choreographie, in der alle Spins örtlich die exakt gleiche Ausrichtung aufweisen. Die Fähigkeit, die Ausrichtung und das Verschieben von Spins in diesem Masse zu kontrollieren, ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von spinbasierten Transistoren, die elektrisch programmierbar sind.“

Phänomen erstmalig beobachtet

Gian Salis und seine Kollegen nutzten ultrakurze Laserpulse, um tausende von Elektronenspins simultan auf einer sehr kleinen Fläche auszurichten und deren weitere Entwicklung zu beobachten. Während die Spins normalerweise schnell ihre Orientierung verlieren, konnten die Wissenschaftler nun erstmals das Auftreten einer beständigen Spinhelix demonstrieren und abbilden.

Theoretische Konzepte über dieses Phänomen in Halbleitern kamen bereits 2003 auf. Seither wiesen verschiedene Experimente auf deren Auftreten hin. Ein direkter Nachweis wurde jedoch erst jetzt erbracht. Die IBM Forscher nutzten hierfür eine zeitaufgelöste Rastermikroskop-Technik, mit der sich die synchrone Spinbewegung verfolgen und abbilden liess.

Ausschlaggebend für das Erzeugen der Spinhelix war eine gezielte Koordination der Spin-Bahn-Wechselwirkung, einem physikalischen Mechanismus, der den Spin mit der Bewegung des Elektrons koppelt. Das hierzu benötigte Halbleitermaterial besteht aus Gallium-Arsenid (GaAs) und wurde von Forschern der ETH Zürich hergestellt, die weltweit für das Wachstum von ultra-reinen und atomar genauen Halbleiterstrukturen bekannt sind. GaAs gehört zur Gruppe der so genannten III/V-Halbleiter und wird gegenwärtig in integrierten Schaltkreisen, Infrarot-Leuchtdioden und hocheffizienten Solarzellen eingesetzt.

Der Weg aus dem Labor hin zu praktischen Spintronik-Anwendungen in zukünftigen Computern und neuartigen Speichern bleibt jedoch weiterhin herausfordernd. So lassen sich viele der Experimente bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen durchführen — in der vorliegenden Arbeit etwa bei –233°C. Dies, weil dadurch die Interaktionen des Elektronenspins mit der Umgebung auf ein Minimum reduziert werden.

Die wissenschaftliche Arbeit von M. P. Walser, C. Reichl, W. Wegscheider und G. Salis mit dem Titel „Direct mapping of the formation of a persistent spin helix” erschien in Nature Physics Online, DOI: 10.1038/NPHYS2383 (12. August 2012).

Das Projekt wurde finanziell unterstützt durch durch das National Center of Competence in Research (NCCR) Nanoscale Sciences und NCCR Quantum Science des Schweizerischen Nationalfonds (SNF).