Kontrollierte Spin-Ströme in topologischen Isolatoren

  • 03. May 2016

Materialklasse eignet sich für energie­effi­ziente Infor­mations­techno­logien.

Wie sich in Proben aus einem topologischen Isolator-Material spin­polari­sierte Ströme gezielt in Gang setzen lassen hat jetzt ein inter­nationales Team um den HZB-Forscher Jaime Sánchez-Barriga gezeigt. Zudem konnten die Forscher die Aus­richtung der Spins in diesen Strömen kontrol­lieren. Künftige Infor­mations­techno­logien sollen Daten mit deutlich weniger Einsatz von Energie verar­beiten. Eine viel ver­sprechende Material­klasse dafür sind topo­logische Iso­la­toren. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Elek­tronen an der Ober­fläche extrem beweg­lich sind und das Material dort leit­fähig ist. Im Innern ist es dagegen ein Iso­lator.

Spinströme

Abb.: Die Skizze zeigt die charak­teris­tische Spin-Aus­richtung (Pfeile) von Elek­tronen in einem topo­lo­gischen Iso­lator (unten). Ein zirkular pola­ri­sierter Laser­puls dreht die Spins aus der Ober­flächen­ebene der Probe heraus (Mitte). Dies lässt sich mit einem linear pola­ri­sierten zweiten Puls nach­weisen (oben; Bild: HZB).

Da Elektronen gleichzeitig auch ein magnetisches Moment tragen, könnten topo­lo­gische Iso­la­toren spin­tro­nische Bau­elemente ermög­lichen. Diese basieren nicht mehr wie Halb­leiter­bau­elemente auf der Bewegung von Ladungs­trägern wie Elek­tronen, sondern auf dem Trans­port oder der Mani­pu­lation ihrer Spins. Um damit zu schalten, wird deutlich weniger Energie benötigt.

Sánchez-Barriga und seine Kollegen untersuchten Proben aus dem topo­lo­gischen Iso­lator Antimon-Tellurid mit zirkular pola­ri­siertem Laser­licht. Über die Dreh­richtung des Laser­lichts konnten sie Elek­tronen-Ströme mit parallel ausge­richteten Spins gezielt in Gang setzen und lenken. Zudem gelang es ihnen, die Aus­richtung der Spins zu ver­ändern. Am Team waren Experi­men­ta­toren des Max-Born-Instituts und der Uni Moskau, sowie Theore­tiker der LMU München beteiligt.

„Wenn man magnetisch dotierte topologische Iso­la­toren ver­wenden würde, könnte man die Spin­infor­mation vermutlich auch speichern“, erklärt Oliver Rader, der am HZB die Abteilung für grüne Spin­tronik leitet. „Um das zu unter­suchen und dabei auch insbe­sondere das dyna­mische Ver­halten der magnetischen Momente zu erkunden, werden aber ultra­kurze Licht­pulse im weichen Röntgen­bereich benötigt. Mit dem geplanten Up­grade der Synchro­tron­quelle BESSY II zu BESSY VSR können solche Expe­ri­mente in Zukunft zum Standard werden.“

HZB / RK

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