Computer-Miniaturisierung Informationstransport per Spin macht Fortschritte

Die Grenzschicht ermöglicht den Transport von Informationen über den Elektronenspin.
Die Grenzschicht ermöglicht den Transport von Informationen über den Elektronenspin.

Seit Jahren wird die Spin-Elektronik als die Zukunft der Computertechnologie propagiert. Wissenschaftler der TU München haben nun einen Erfolg beim Informationstransport per Spin erzielt – in zweidimensionalem Elektronengas bei Raumtemperatur.

Computer und Mobilgeräte werden immer leistungsfähiger und verfügen über immer mehr Funktionen. Einer der Hauptgründe für die Leistungssteigerung ist die fortschreitende Miniaturisierung der verwendeten Komponenten. Mit konventionellen Halbleitertechnologien gelangt die Miniaturisierung jedoch allmählich an ihre Grenzen.

Weltweit arbeiten Wissenschaftler deshalb an Alternativen zu bisherigen Halbleitertechnologien. Als besonders vielversprechend wird die so genannte Spin-Elektronik angesehen. Sie macht sich zunutze, dass Elektronen neben der Ladung auch einen Drehimpuls besitzen, den Spin. Mit Hilfe des Spins könnte die Informationsdichte und damit der Funktionsumfang zukünftiger Elektronik weiter erhöht werden. Forscher des Walther-Meißner-Instituts (WMI) und der TU München haben jetzt gemeinsam mit Kollegen der japanischen Kyoto Universität den Transport von Spin-Information bei Raumtemperatur in einem außergewöhnlichen Materialsystem nachgewiesen:

In ihren Experimenten wiesen sie die Erzeugung, den Transport und die Detektion von elektronischen Spins in der Grenzfläche zwischen den Materialien Lanthan-Aluminat (LaAlO2) und Strontium-Titanat (SrTiO3) nach. Die Besonderheit dieses Materialsystems ist, dass sich an der Grenzfläche zwischen den beiden nichtleitenden Materialien eine extrem dünne, elektrisch leitfähige Schicht ausbildet, ein zweidimensionales Elektronengas.

In das zweidimensionale Elektronengas übertrugen die Wissenschaftler den Spin mittels eines magnetischen Kontakts, dessen Elektronen durch Mikrowellenstrahlung zu einer Präzessionsbewegung gezwungen werden – analog zur Taumelbewegung eines Kreisels.

Genau wie beim Kreisel hält diese Bewegung nicht ewig an, sondern schwächt sich ab, in diesem Fall durch Abgabe von Drehmoment an das zweidimensionale Elektronengas. Dieses ist nun in der Lage, die Spin-Information zu einem nichtmagnetischen Kontakt zu transportieren, der sich einen Mikrometer neben dem magnetischen Kontakt befindet.

Der nichtmagnetische Kontakt detektiert den Spin-Transport, indem er die Spins absorbiert und dabei eine elektrische Spannung aufbaut. Durch Messung dieser Spannung konnten die Forscher den Spin-Transport systematisch untersuchen und nachweisen, dass er in derartigen Strukturen über Entfernungen möglich ist, die bis zu 100-mal so groß sind wie in heutigen Transistoren.

Basierend auf den bisherigen Ergebnissen will das Wissenschaftler-Team nun erforschen, inwieweit sich mit dem verwendeten Materialsystem spin-elektronische Bauelemente mit neuartigen Funktionalitäten realisieren lassen.

Das Forschungsprojekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) finanziell gefördert.