'Spinstrom' könnte Computer beschleunigen

  • 24. August 2005

'Spinstrom' könnte Computer beschleunigen

Marburger Physiker untersuchen die Dynamik von Spinströmen in Halbleitern. Die Grundlagenarbeit über Spintronik könnte Basis für die Entwicklung von schnelleren und Energie sparenden Computern sein

Spintronik ist eines der Zauberwörter, das die Entwickler künftiger Computer seit etwa einem Jahrzehnt umtreibt. Die Kombination aus den Worten Spin und Elektronik beschreibt eine Technologie, die zusätzlich zu den elektrischen auch die magnetischen Eigenschaften von Elektronen zur Informationsverarbeitung nutzt. Denn strömende Elektronen transportieren nicht "nur" elektrische Ladung von einem Ort zum anderen, sondern auch ihre magnetischen Eigenschaften, ihren "Spin". Lässt sich dieser "Spinstrom" technisch nutzen, könnte dies Computern zu erheblich größerem Rechentempo bei geringerer Leistungsaufnahme verhelfen.

An der Philipps-Universität Marburg hat nun eine Arbeitsgruppe um den Physiker Professor Dr. Stephan W. Koch die im "Zweifarbenanregungsverfahren" durch ultrakurze Laserpulse erzeugten Ströme sowie deren Abklingverhalten detailliert mit quantenphysikalischen Methoden berechnet. "Unsere theoretischen Ergebnisse werden zum einen weitere Experimente motivieren und sind zum anderen auch sehr hilfreich, um das mögliche Anwendungspotenzial von ultraschnell erzeugten Ladungs- und Spinströmen besser zu verstehen", so Stephan Koch. Ihre Ergebnisse stellten die Marburger Forscher in der vergangenen Woche im US-amerikanischen Wissenschaftsjournal Physical Review Letters unter dem Titel "Microscopic Analysis of the Coherent Optical Generation and the Decay of Charge and Spin Currents in Semiconductor Heterostructures" (PRL 95, 086606 (2005), gemeinsam mit Dr. Huynh Thanh Duc und PD Dr. Torsten Meier) vor.

Den Spin eines Elektrons kann man sich vereinfacht als Kreiselbewegung des Elektrons vorstellen, die dieses zu einem kleinen Magneten werden lässt. Der Spin kann nur zwei verschiedene Werte annehmen: Anschaulich beschrieben kreiseln die Elektronen entweder rechts- oder linksherum (bezeichnet als "Spin hoch" beziehungsweise "Spin runter") und verhalten sich dann in einem äußeren Magnetfeld abhängig von ihrer Spinrichtung.

Statt Elektronen fließen Spins

"Während es in heutigen Anwendungen fast ausschließlich auf die elektrische Ladung ankommt, die unabhängig vom Spin immer die gleiche ist", erklärt Koch, "kann man sich zum Beispiel auch Situationen vorstellen, in denen sich Elektronen mit Spin hoch in die eine Richtung bewegen, während jene mit Spin runter in die entgegengesetzte Richtung fließen." Dabei wird dann genauso viel elektrische Ladung in die eine wie in die andere Richtung transportiert, sodass der elektrische Strom gleich Null ist. Spins werden dabei allerdings dennoch transportiert, sodass trotz fehlenden elektrischen Stroms ein "Spinstrom" fließt.

Solche Spinströme sind von großem Interesse für Anwendungen im Bereich der Spintronik, die derzeit weltweit intensiv untersucht werden. Dabei wird im Unterschied zur Elektronik nicht die Elektronenladung benutzt, um elektronische Bauteile zu schalten. Stattdessen dienen Magnetfelder dazu, den Elektronenspin von hoch auf runter und umgekehrt klappen zu lassen. Dies geht schneller und bedarf geringerer Energie.

Anregung von Spinströmen durch Laserlicht

Spinströme lassen sich erzeugen, indem man Halbleiterkristalle und -nanostrukturen mit intensivem Laserlicht bestrahlt. Dieser Vorgang, bei dem auch Ladungsströme entstehen, wird Zweifarbenanregung genannt, weil sich das verwendete Laserlicht aus Wellenzügen zweier verschiedener Frequenzen zusammensetzt. Indem man diese Wellenzüge relativ zueinander zeitlich verschiebt, lässt sich sogar die Richtung des erzeugten Stroms kontrollieren.

Für physikalische Untersuchungen und zukünftige Anwendungen müssen sich Spinströme allerdings sehr schnell erzeugen lassen. Für die Zweifarbenanregung verwendet Stephan Koch darum ultrakurze Laserlichtpulse, deren Dauer nur wenige Femtosekunden (der millionste Teil des millionsten Teils einer Tausendstelsekunde) beträgt. Bereits vor einigen Jahren hatten Physiker im kanadischen Toronto dieses Verfahren vorgeschlagen. Die damit erzeugten "lichtinduzierten" Ströme wurden inzwischen auch experimentell beobachtet, unter anderem von Kochs Kollegen, dem Marburger Halbleiterphysiker Professor Dr. Wolfgang Rühle.

Der lichtinduzierte Strom wird allerdings mit der Zeit schwächer, da sich Elektronen aufgrund ihrer Ladungen gegenseitig abstoßen und auch mit anderen Teilchen im Festkörper zusammenstoßen. "Um künftig starke und möglichst lange fließende Ströme zu erreichen, ist ein genaues theoretisches Verständnis dieser Abschwächungsvorgänge notwendig", so Stephan Koch. Darum führte seine Arbeitsgruppe mit Hilfe von Parallelrechnern aufwändige quantenphysikalische Berechnungen durch, in denen neben der Erzeugung von Ladungs- und Spinströmen auch deren zeitliches Abklingen analysiert wurde. So konnten die Marburger Forscher alle für die Kurzzeitdynamik relevanten Prozesse detailliert beschreiben: die Stromerzeugung durch Anregung mit Zweifarbenlaserlicht auf einer Femtosekundenzeitskala, die gegenseitige Abstoßung der beweglichen Elektronen sowie deren Stöße mit den schwingenden Atomen des Kristalls.

Auffallend dabei ist, so Koch, "dass die Spinströme oft schneller zerfallen als die Ladungsströme und dies auch dann geschieht, wenn jeweils gleich viele Elektronen angeregt werden." Der Grund hierfür liege im wesentlichen darin, dass die Verteilung von Elektronen mit verschiedenen Spins in lichtinduzierten Strömen unsymmetrisch ist. Diese Asymmetrie wird zwar durch die elektrische Wechselwirkung ausgeglichen, dabei geht allerdings Energie verloren. Wenn beide Spins in entgegengesetzte Richtungen laufen, führt dies zu einer recht raschen Abbremsung des Stromes. Bewegen sie sich in dieselbe Richtung, so klingt der Strom langsamer ab.

Die theoretischen Ergebnisse von Stephan Koch und seiner Arbeitsgruppe gestatten es nun, die Stärke und das zeitliche Verhalten der lichtinduzierten Ströme in verschiedensten Halbleiterstrukturen vorherzusagen, und verbessern so das grundlegende Verständnis von dynamischen elektronischen Nichtgleichgewichtsprozessen. "Wir hoffen", sagt Koch, "dass unsere Arbeit viele Arbeitsgruppen motiviert, an der kontrollierten Erzeugung möglichst starker und langlebiger Spinströme zu arbeiten und so diese neue Technologie auch für die Anwendung nutzbar zu machen."

Spintronik teilweise schon im Einsatz

Die Grundprinzipien der Spintronik werden bereits seit Ende der 1980er Jahre erforscht. Während Spinströme noch keinen Eingang in die Anwendung fanden, wird bereits seit 1997 der so genannte Riesenmagnetowiderstand (giant magneto resistance, GMR) industriell in Leseköpfen von Computerfestplatten genutzt. Dabei wird ausgenutzt, dass ein System aus dünnen Materialschichten, in denen die Elektronen jeweils einen anderen Spin haben, sensibel und schnell auch auf sehr schwache Magnetfelder reagiert, indem sich sein elektrischer Widerstand extrem ändert. So wird es möglich, mit kleinsten magnetischen Informationsspeichern zu arbeiten. Ein weiterer Vorteil ist, dass deren Inhalt selbst bei Abschalten des Stroms nicht verloren geht. Darum kommt der spintronische GMR mittlerweile auch in nichtflüchtigen Speichertechnologien wie dem Magneto-resistive Random Access Memory (MRAM) zum Einsatz. Auch als Technologie für Quantencomputer werden die Funktionsprinzipien der Spintronik diskutiert.

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