Physiker bei IBM Research – Zürich haben einen Durchbruch in der Erforschung des Elektronenspins für zukünftige Speicher- und Logikanwendungen erzielt. Sie konnten erstmalig das Auftreten einer beständigen Spin-Helix 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 Wissenschaftsmagazin »Nature Physics« veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher von IBM Research und dem Labor für Festkörperphysik der ETH Zürich zudem, dass sich durch die Spin-Helix 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 Spin-Zustands zu erhalten. Die nun demonstrierte Verlängerung der Spin-Lebensdauer entspricht genau dem aufgrund von gemessenen Materialparametern erwarteten Wert. Damit haben die Forscher den limitierenden Mechanismus nachgewiesen und können in einem nächsten Schritt weitere Optimierung vornehmen.

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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 spin-basierte Elektronik nicht auf dem Verschieben von Ladung basiert, sondern auf einer Änderung des Spin-Zustands, könnte die Spintronik weitaus energieeffizientere Computer und Speicher ermöglichen.

In ihrem Experiment beobachteten die IBM Forscher wie sich Elektronenspins in einem Halbleiter über eine Distanz von 20 Mikrometern ausbreiten, wobei sich sämtliche Spins synchron drehen. Die Entstehung einer derartigen Spin-Helix war bislang noch nie in einem Halbleiter beobachtet worden.

Das IBM-Team nutzt 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 Spin-Helix 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 Spin-Bewegung verfolgen und abbilden ließ.

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.