Forschung Auf dem Weg zur Spin-Elektronik

Um Spin-Elektronik als Alternative zur aktuell ladungsbasierten Informationsverarbeitung einzusetzen sind die derzeit erzielten Effekte noch zu gering. Eine neue Kartierungsmethode der Spin-Bahn-Wechselwirkung könnte helfen, die Effizienz zu erhöhen.

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Seit etwa 1990 wird die halbleiterbasierte Spin-Elektronik als mögliche Alternative zur aktuell ladungsbasierten Informationsverarbeitung weltweit erforscht. Hierbei sollen nicht nur die elektrische Ladung, sondern auch die Eigenrotation (Spin) von Elektronen und Atomkernen zur Verarbeitung und Kodierung von Informationen verwendet werden.

Prinzipiell kann die Nutzung des magnetischen Momentes eines Elektrons zu schnellerer und energiesparender Verarbeitung von Bits und Bytes führen als dies in aktuellen Si-basierten Prozessoren der Fall ist. Darüber hinaus könnte die Nutzung des Elektronenspins eine räumliche Integration von Informationsverarbeitung und -speicherung ermöglichen, da die Speicherung in magnetischen Festplatten bereits auf dem Elektronenspin basiert. Eines der Fernziele der Spintronik ist es, die drei Bestandteile Prozessorchip, Arbeitsspeicher und Arbeitsspeicher eines Computers auf einem einzigen Chip zu vereinen.

Die bisher erzielten Effekte zur kontrollierten Verarbeitung des Spins sind jedoch viel zu klein, um an eine praktische Nutzung zu denken. Ein Forscherteam der RWTH unter Leitung von Professor Dr. rer. nat. Markus Morgenstern, unterstützt durch Rechnungen von Professor E. Y. Sherman der Universität des Baskenlandes, hat nun eine mögliche Ursache für die geringe Effizienz identifiziert.

Hierzu haben die Physiker ein bei minus 273 °C arbeitendes Rastertunnelmikroskop genutzt, das mit Nanometer-Präzision die Wechselwirkung des Elektronenspins mit seiner Umgebung kartieren kann.

Die Karten, die in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurden, zeigen, dass die für die Manipulation essentielle Spin-Bahn-Wechselwirkung räumlich fluktuiert – so sind benachbarte Spins auf ihrem Weg durch ein Bauelement verschiedener Manipulation ausgesetzt. Tatsächlich kann der identifizierte Unordnungs-Effekt die mangelnde Effizienz bisheriger Bauelemente gut erklären.

Die von den Wissenschaftlern entwickelte Kartierungsmethode der Spin-Bahn-Wechselwirkung soll in Zukunft helfen, die ungewollten Unordnungsbeiträge so weit wie möglich zu minimieren.

Originalveröffentlichung:

J. R. Bindel et al.: Probing variations of the Rashba spin–orbit coupling at the nanometre scale, Nature Physics (2016); doi: 10.1038/nphys3774

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