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Computertechnik: Mit Spintronik auf dem Weg zum Quantencomputer

Die nächste Revolution der Computertechnik steht vor der Tür. Der Träger der elementaren Information ist so klein wie nie zuvor: der Spin eines einzelnen Elektrons. Es gilt, seine quantenmechanischen Eigenschaften nicht als unerwünschte Effekte zu eliminieren, sondern für ungeahnte Leistungen zu nutzen.


Die Miniaturisierung der Halbleiterbauelemente für Computer schreitet unaufhaltsam fort – und stößt damit unweigerlich an eine Grenze: Unterhalb einer Größenordnung von hundert Nanometer melden sich allmählich die Gesetze der Quantenmechanik zu Wort, jenes geheimnisvollen Bereichs der Physik, dessen Aussagen dem gesunden Menschenverstand zuweilen ins Gesicht schlagen und in dem ein biederes Elektron unversehens Eigenschaften einer Welle annimmt.

Pragmatiker der Halbleitertechnik geben sich alle Mühe, die Quantenwelt zu meiden, indem sie ihre Bauteile mit genialen Tricks dazu zwingen, sich nach den Gesetzen der klassischen (nicht-quantenmechanischen) Elektronik zu verhalten. Einige von uns jedoch glauben, man sollte den Stier bei den Hörnern packen, statt ihm davonzulaufen: Unter Nutzung der Merkwürdigkeiten der Quantenwelt sollten sich völlig neuartige Bauelemente konstruieren lassen, welche die Leistung der herkömmlichen um Größenordnungen übertreffen.

Alle Bauteile der Computertechnik, von der Vakuumröhre seligen Angedenkens bis zu den Mikrochips mit ihren Millionen von Transistoren, arbeiten bis-lang ausschließlich durch Bewegung elektrischer Ladungen. Die Träger dieser Ladungen, die Elektronen, haben jedoch noch eine weitere Eigenschaft, die in der konventionellen Technik ungenutzt bleibt: den "Spin" ("Drall"), der eng mit dem Magnetismus verknüpft ist. Diesen zu nutzen ist das Ziel einer neuen Technik, die den Namen Spintronik (kurz für Spin-Elektronik) oder Magneto-Elektronik erhalten hat.

Seit jeher dient der Magnetismus (und damit indirekt der Elektronenspin) zur Speicherung von Information. Schon die frühesten Computer-Festplatten speicherten ihre Bits in Form magnetisierter Bereiche, und der magnetische Widerstand, eine durch ein Magnetfeld verursachte Änderung des elektrischen Widerstands, diente zum Auslesen dieser Information. So verwundert es nicht, dass der erste Erfolg der Spintronik auf dem Gebiet der Speichermedien erzielt wurde. Die meisten Notebook-Computer verfügen heute über eine Festplatte, die auf jedem Quadratmillimeter so viele Daten unterbringt wie nie zuvor. Das funktioniert durch einen Spintronik-Effekt, den so genannten Riesen-Magnetowiderstand (giant magnetoresistance, GMR).

Andere spintronische Speichertechniken sind schon weit vorangeschritten: In den nächsten Jahren wird der MRAM (magnetic random access memory, magnetischer Arbeitsspeicher) auf den Markt kommen. Ein solcher Speicher behält seinen Zustand bei, auch wenn der Strom abgeschaltet wird, aber im Unterschied zu den derzeit üblichen nichtflüchtigen Speichern können die Umschaltraten und die Zugriffsgeschwindigkeit es durchaus mit konventionellen Arbeitsspeichern aufnehmen.

In heutigen Leseköpfen und magne-tischen Arbeitsspeichern bestehen die wichtigsten Teile aus ferromagnetischen Metall-Legierungen. Diese metallischen Bauelemente bilden die erste – und ausgereifteste – Ausprägung der Spintronik. Die zweite besteht darin, spinpolarisierte Ströme in Halbleitern statt in Metallen fließen zu lassen. Sowie die Ingenieure diese Kunst beherrschen, steht ihnen die ganze Vielfalt der Herstellungstechniken zur Verfügung, die mit so phänomenalem Erfolg an den Mikroelektronik-Chips entwickelt worden sind. Obendrein haben Halbleiter äußerst interessante optische Eigenschaften; sie können sowohl optische als auch elektrische Signale verstärken. Denkbar sind ultraschnelle Schalter sowie Mikroprozessoren, die ausschließlich nach Prinzipien der Spintronik arbeiten und Rechenwerke, Speicher sowie Kommunikationshardware auf einem einzigen Chip vereinen.

Vor der industriellen Realisierung dieser Visionen stehen allerdings noch zahlreiche technische Hindernisse: Kann man im großtechnischen Maßstab ferromagnetische Metalle und Halbleiter in integrierten Schaltkreisen verbinden? Kann man Halbleiter herstellen, die bei Zimmertemperatur ferromagnetisch sind? Wie zwingt man spinpolarisierte Ströme (kurz: "Spinströme") wirksam in einen Halbleiter hinein? Was passiert mit ihnen an einer Grenzfläche zwischen zwei Halbleitern? Wie lange bleibt die Polarisierung eines Spinstroms in einem Halbleiter bestehen?

Ein neuer Leistungssprung

An diesen Fragen arbeiten wir in unseren Forschungsgruppen, halten dabei aber die Augen offen für die spekulativste Ausprägung der Spintronik: das Arbeiten mit dem Spinzustand eines einzelnen Elektrons. Damit dringt man endgültig in die faszinierende Quantenwelt ein; denn ein einzelnes Elektron kann sich nicht nur in einem der Zustände "Spin auf-wärts" und "Spin abwärts" befinden, sondern auch in einer quantenmechanischen Überlagerung dieser beiden Zustände. Es eignet sich damit als elementares Bauteil für einen Quantencomputer (siehe auch Spektrum der Wissenschaft 12/1995, S. 62 und 8/1998, S. 54).

Bislang existieren diese Geräte nur in der Theorie, aber sie berechtigen zu den größten Hoffnungen. Ein Quantencomputer würde zumindest bei bestimmten Aufgaben die Leistung herkömmlicher Rechner um Größenordnungen übertreffen. Zu seiner Realisierung sind die exotischsten Ideen aufgeboten worden: Ionen in magnetischen Fallen, "eingefrorenes" Licht, ultrakalte Quantengase namens Bose-Einstein-Kondensate, magnetische Kernresonanz von Molekülen in Flüssigkeiten – es gibt viele Wege, Schrödingers Katze das Fell über die Ohren zu ziehen (Spektrum der Wissenschaft 1/2002, S. 86).

Die meisten dieser Konzepte erfordern kühne Vorstöße in weitgehend unerforschtes Gelände. Wir halten es dagegen für sinnvoller, auf der ungeheuer vielseitigen und vor allem bereits bewährten Halbleiter-Elektronik aufzubauen. In dieser Einschätzung sind wir kürzlich durch eine Reihe unerwarteter Entdeckungen bestätigt worden. Inzwischen messen wir der Spintronik revolutionäres Potenzial bei, sowohl für den Allerweltscomputer als auch für das Fernziel des Quantenrechners.

Der Dreh mit dem Drall

Das englische Wort spin (wörtlich: "sich um sich selbst drehen", wie eine Spindel) spielt auf eine geeignete Modellvorstellung an. Denken Sie sich eine kleine elektrisch geladene Hohlkugel, die sich sehr schnell um sich selbst dreht. Die Ladungen auf der Kugeloberfläche rotieren mit und erzeugen dadurch ein Magnetfeld, ebenso wie die Ladungen, die in einer Drahtspule im Kreis laufen. In der Wissenschaft wird eine Rotation üblicherweise durch einen Vektor (Pfeil) dargestellt, der in Richtung der Rotationsachse weist. Bringt man die sich drehende Kugel in ein äußeres Magnetfeld, so hängt ihre Gesamtenergie davon ab, wie dieser Vektor gegenüber dem Magnetfeld orientiert ist.

In mancher Beziehung ist ein Elektron wie eine solche rotierende geladene Kugel. Es hat einen Drehimpuls, den "Spin", und damit verknüpfte magnetische Eigenschaften, und in magnetischer Umgebung hängt seine Energie von der Orientierung des Spinvektors ab. Aber hier endet bereits die Analogie, und die Merkwürdigkeiten der Quantenmechanik beginnen. Eigentlich sind Elektronen keine kleinen Kügelchen, vielmehr deutet alles darauf hin, dass sie überhaupt keine räumliche Ausdehnung haben. Bei einem punktförmigen Teilchen gibt es aber nichts, was rotieren könnte. Wenn also im Folgenden von der Orientierung des Spinvektors die Rede ist, darf man die Vorstellung von einer Rotationsachse nicht zu wörtlich nehmen.

Zu allem Überfluss haben sämtliche Elektronen genau den gleichen Spin, nämlich die Hälfte der fundamentalen quantenmechanischen Drehimpulseinheit. Diese Eigenschaft steckt tief in dem mathematischen Formalismus, der alle Elementarteilchen der Materie beschreibt, und was dieser Formalismus zu bedeuten hat, ist ein sehr weites Feld. Eines der Ergebnisse ist, dass ein Elektron als Elementarteilchen durch Spin, Masse und Ladung vollständig charakterisiert ist.

Ballett der Elektronen

In einem gewöhnlichen elektrischen Strom sind die Elektronenspins zufällig orientiert und spielen auch keine Rolle. Ein Leitungsdraht hat stets denselben elektrischen Widerstand und ein Transistor denselben Verstärkungsfaktor, einerlei wie die Spins der Elektronen, die ihn durchfließen, orientiert sind. Spintronik-Bauelemente dagegen behandeln ihre Elektronen verschieden, je nachdem, ob ihr Spin aufwärts oder abwärts zeigt.

In den Atomen ferromagnetischer Festkörper wie Eisen oder Kobalt neigen die Spins gewisser Elektronen dazu, sich parallel zum Spin ihrer Nachbarn ("in Reih und Glied") auszurichten. In einem stark magnetisierten Eisenstück ist eine einheitliche Ausrichtung der Spins über das ganze Metallstück verbreitet. Fließt ein Strom durch den Magneten, so kommen die Elektronen mit der einen Spinrichtung schlechter durch als die mit der anderen. Am entgegengesetzten Ende sind nur noch die Elektronen mit dem Spin in der bevorzugten Richtung übrig: ein spinpolarisierter Strom.

Ein Ferromagnet kann sogar den Stromfluss in einem benachbarten nichtmagnetischen Metall beeinflussen. So enthalten die Leseköpfe moderner Computer-Festplatten ein so genanntes Spinventil, in dem eine Schicht eines nichtmagnetischen Metalls zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten liegt. Von diesen beiden ist die eine permanent magnetisiert, die andere nicht. Fährt nun der Lesekopf über gespeicherte Daten auf der Computer-Festplatte, so genügen die kleinen Magnetfelder der gespeicherten Einsen und Nullen, um die Magnetisierung der zweiten Schicht in die eine oder die andere Richtung zu ändern, also parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der fixierten Schicht. Im Fall paralleler Orientierung fließen nur die Elektronen mit der bevorzugten Spinrichtung leicht durch den Leiter, im anderen Fall wird der Fluss sämtlicher Elektronen stark behindert (daher der Name Riesen-Magnetowiderstand). Über die daraus resultierende Änderung des Stroms erkennt ein GMR-Lesekopf schwächere Magnetfelder als seine Vorgänger, sodass man auf derselben Fläche wie bisher dreimal so viele Daten in entsprechend kleineren Bereichen unterbringen kann.

Ein weiteres dreischichtiges Bauelement, der magnetische Tunnelkontakt (magnetic tunnel junction), besteht aus einer dünnen isolierenden Schicht zwischen zwei metallischen Ferromagneten. Über die Isolierschicht hinweg kann wegen des quantenmechanischen Tunneleffekts gleichwohl ein Strom fließen. Der Tunnelstrom wird unterbunden, wenn die beiden ferromagnetischen Schichten unterschiedliche Orientierung haben; bei gleicher Orientierung fließt Strom.

Wieder ist eine der beiden ferromagnetischen Schichten permanent magnetisiert; die Orientierung der anderen ist umklappbar und kann damit ein Bit speichern. Diese Schicht behält mit oder ohne Stromzufuhr ihren magnetischen Zustand bei, bis sie neu überschrieben wird. Die schon erwähnten MRAM-Chips bestehen aus sehr vielen magnetischen Tunnelkontakten.

Bislang taugen ferromagnetische Spintronik-Elemente zum Speichern, aber nicht zum Rechnen, genauer: zu den dafür erforderlichen logischen Verknüpfungen. Ein erster Schritt in diese Richtung ist jüngst Russell Cowburn und seinen Kollegen von der Universität Durham (England) gelungen.

Halbleiter mit Effet

Soweit die Spintronik mit metallischen Bauelementen, die von den ferromagnetischen Eigenschaften der Metalle entscheidenden Gebrauch macht. Wie aber soll die Spintronik der zweiten Art, das heißt in Halbleitern, funktionieren? Konventionelle Halbleiter sind nicht ferromagnetisch. Eine Lösung besteht darin, in einem Ferromagneten einen spinpolarisierten Strom zu präparieren und dann in den Halbleiter zu schicken.

Supriyo Datta und Biswajit A. Das, damals an der Purdue University in West Lafayette (Indiana), stellten 1990 ein Modell eines spinpolarisierten Feldeffekttransistors ("Spin-FET") vor. In einem konventionellen FET liegt ein enger Halbleiterkanal zwischen zwei Elektroden, der "Quelle" und der "Senke". Wenn an das "Gate", die dritte Elektrode, die sich über dem Kanal befindet, eine Spannung angelegt wird, so treibt das entstehende elektrische Feld die Elektronen aus dem Kanal und macht ihn dadurch zu einem Isolator. Beim Spin-FET von Datta und Das sind Quelle und Senke ferromagnetisch, sodass der in den Kanal fließende Strom spinpolarisiert ist. Wird am Gate eine Spannung angelegt, klappen die Spins im Kanal um, und die Senke nimmt diese Elektronen mit falscher Orientierung nicht an.

Ein Spin-FET hätte gegenüber einem konventionellen FET diverse Vorteile. Einen Elektronenspin zum Umklappen zu bringen benötigt weit weniger Energie und Zeit, als Elektronen aus dem Kanal hinauszutreiben. Denkbar wäre es auch, die Orientierung von Quelle oder Senke mit einem Magnetfeld zu ändern. Das würde den Spin-FET mit einer zusätzlichen Steuerungsmöglichkeit ausstatten. Denkbar wäre zum Beispiel ein Logikbaustein mit sehr schnell veränderlicher Funktion.

Bisher gibt es jedoch noch keinen funktionierenden Prototyp des Spin-FET von Datta und Das. Es ist nämlich sehr schwierig, Spinströme aus einem ferromagnetischen Metall in einen Halbleiter fließen zu lassen. Neuerdings deuten optische Experimente aus Laboratorien in aller Welt darauf hin – wenngleich die Ergebnisse noch umstritten sind –, dass dies mit unkonventionellen Werkstoffen tatsächlich gelingen könnte: mit Halbleitern, die durch Dotierung mit Atomen wie Mangan magnetische Eigenschaften bekommen.

Einige kürzlich hergestellte magnetische Halbleiter zeigen in der Tat Ferromagnetismus und liefern den Rohstoff für einen "schaltbaren Ferromagneten" (gateable ferromagnet); dieser könnte eines Tages bei Spin-Transistoren eine große Rolle spielen. Dieses Bauelement würde durch eine geringe Spannung vom nichtmagnetischen in den ferromagnetischen Zustand umgeschaltet und umgekehrt. Im eingeschalteten Zustand ist er nur für Elektronen mit der einen Spinrichtung durchlässig, für die anderen aber nicht. Dieser Filtereffekt ließe sich noch verstärken, indem man den schaltbaren Ferromagneten in eine Resonanz-Tunneldiode einbaut. Konventionelle Resonanz-Tunneldioden lassen nur bei einer bestimmten Spannung einen Strom fließen, nämlich dann, wenn die Energie der Elektronen in Resonanz mit der Tunnelbarriere ist. Die Variante mit dem Ferromagneten hätte eine Barriere mit je nach Spinrichtung unterschiedlichen Resonanzspannungen.

Die spannendsten Entwicklungen in der Halbleiter-Spintronik werden wahrscheinlich von Bauelementen bestimmt, die zu entwerfen unsere Fantasie noch nicht ausreicht. Die Schlüsselfrage für diese Spintronik der zweiten Art ist, wie lange Elektronen einen bestimmten Spinzustand beibehalten, wenn sie sich durch einen Halbleiter bewegen oder von einem Material ins nächste gelangen. So kann ein Spin-FET nur dann funktionieren, wenn die Elektronen vom Eintritt in den Kanal bis zu Austritt am anderen Ende polarisiert bleiben.

Solo für ein Elektron

Wie schnell eine Spinpolarisation abklingt, wird zur alles entscheidenden Frage, wenn es um einen Quantencomputer auf der Basis von Elektronenspins geht. Dabei muss man die so genannte Quantenkohärenz beherrschen, das heißt, alle Daten tragenden Komponenten des Computers müssen ihre Quanteneigenschaften hinreichend lange behalten. Wenn diese Eigenschaften an die Ladungen von Elektronen gebunden sind, geht die Kohärenz durch Dissipation schon binnen Pikosekunden (10-12 Sekunden) verloren, selbst bei sehr tiefen Temperaturen. Die Quanteneigenschaften des Spins müssten von Natur aus deutlich haltbarer sein, wenn ein Quantencomputer dieser Bauart funktionieren soll. Das ist in der Tat der Fall, wie wir durch einen glücklichen Zufall entdeckten.

Eigentlich hatte das Experiment, das den Durchbruch brachte, ein ganz anderes Ziel. Wir arbeiteten 1997 an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara mit Zinkselenid (ZnSe). Dieser konventionelle Halbleiter ist sehr intensiv erforscht und interessierte uns auch nur als Vergleichsmaterial für die magnetischen Halbleiter, auf die es uns eigentlich ankam. In unserem Experiment brachten wir mit zirkulär polarisierten Lichtpulsen ganze Gruppen von Elektronen im ZnSe in denselben Spinzustand. In einer zirkulär polarisierten Lichtwelle oszilliert nicht die Intensität des elektrischen und des magnetischen Feldes, sondern die Feldvektoren drehen sich im Kreis, transversal zur Ausbreitungsrichtung.

Wir schickten die ultrakurzen (100 Femtosekunden, das sind 10-13 Sekunden) Pulse horizontal durch den Halbleiter und brachten dadurch die Elektronen in einen horizontalen Spinzustand: Der Spinvektor wies zunächst in Richtung des Lichtstrahls. In einem vertikalen äußeren Magnetfeld präzedieren die Elektronenspins, das heißt, der Spinvektor selbst dreht sich in der horizontalen Ebene, ähnlich wie die Achse eines gekippten Kreisels im Gravitationsfeld der Erde im Kreise wandert. Mit Hilfe der Präzession können wir verfolgen, wie lange diese Zustände kohärent bleiben; jedoch hat der horizontale Spin eine weitere, viel wichtigere Eigenschaft.

Für einen makroskopischen Körper wie etwa einen Tennisball ist es nichts Besonderes, mit horizontaler Drehachse zu rotieren. Für ein Elektron ist jedoch ein horizontaler Spinzustand eigentlich eine kohärente quantenmechanische Überlagerung der Zustände "Spin aufwärts" und "Spin abwärts". (Dabei definiert ein äußeres Magnetfeld, welche Richtung "oben" und welche "unten" ist.) Solche Elektronen sind also in beiden Spinzuständen zugleich. Genau diese Art von kohärenter Überlagerung von Zuständen wird in Quantencomputern genutzt.

Erfreulich langsamer Zerfall des Quantenzustands

Leider werden in den meisten physikalischen Systemen diese Überlagerungszustände durch Wechselwirkungen mit der Umgebung schnell zerstört, das heißt, sie gehen in einen der "reinen" Zustände 0 und 1 über – in welchen, wird vom Zufall bestimmt. Dieser Prozess heißt Dekohärenz. Wie oben erwähnt, bleiben Qubits auf der Basis der Elektronenladung höchstens ein paar Pikosekunden lang kohärent. Das liegt daran, dass die elektrische Kraft zwischen Ladungen stark und von großer Reichweite ist. In traditionellen Halbleiter-Bauelementen ist das ein Segen, denn man kann mit kleinen elektrischen Feldern den Stromfluss sehr fein regeln, für die Quantenkohärenz jedoch ein Fluch.

Elektronenspin-Qubits dagegen haben nur eine schwache Wechselwirkung mit ihrer Umgebung, hauptsächlich über Magnetfelder, die räumlich oder zeitlich variabel sind. Solche Felder lassen sich sehr effektiv abschirmen. Ziel unseres Experiments war, einige dieser kohärenten Spinzustände in einem Halbleiter zu erzeugen, um zu sehen, wie lange sie überleben würden. Das ist auch dann interessant, wenn es nicht um die Haltbarkeit eines einzelnen Elektronenspins geht, sondern um die eines Kollektivs von Spins, wie in einem Spin-Transistor.

In unserem Experiment maßen wir die Dekohärenzrate durch Verfolgen der Spinpräzession. Jedes Elektron präzediert so lange, wie es in einem kohärenten Überlagerungszustand ist. Wir schickten schwache Lichtpulse in den Halbleiter und erhielten so eine Art stroboskopisches Bild der Spindynamik. Während die Elektronen präzedieren, oszilliert die Intensität des gemessenen Signals; geht die Kohärenz verloren, so fällt die Amplitude der Oszillationen auf null.

Zu unserer großen Überraschung blieben die optisch angeregten Spinzustände in ZnSe bei tiefen Temperaturen mehrere Nanosekunden lang kohärent – tausendmal so lang wie bei den Ladungs-Qubits, und das selbst bei Zimmertemperatur. Weitere Experimente mit Galliumarsenid (GaAs), einem Halbleiter hoher Qualität, der in Handys und CD-Spielern Verwendung findet, zeigten, dass unter optimalen Bedingungen die Spinkohärenz bei tiefen Temperaturen sogar über Hunderte von Nanosekunden erhalten bleiben kann.

Aus diesen Experimenten lernten wir auch, welche Bedingungen für lange Spinkohärenzzeiten entscheidend sind. In erster Linie kommt es auf die Art der Ladungs- und Spin-Träger an. Ein Halbleiter bietet seinen Elektronen gewis-sermaßen zwei Arten von Plätzen an: das Valenzband, bestehend aus Plätzen niederer Energie, die in der Regel alle besetzt sind, und das Leitungsband bei einer etwas höheren Energie, in dem normalerweise alle Plätze frei sind. Ladungsträger in Halbleitern können in zwei Sorten auftreten: Leitungselektronen, das heißt Elektronen im Leitungsband, und Valenzlöcher, das sind freie Plätze im Valenzband. Auch Löcher tragen einen Spin, denn in einem voll besetzten Valenzband addieren sich alle Spins zu null. Durch das Entfernen eines Elektrons wird dieses Gleichgewicht gestört, ebenso wie das Ladungsgleichgewicht: Löcher sind positiv geladen.

Finger weg von Löchern

Löcher haben dramatisch kürzere Spin-Kohärenzzeiten als Elektronen, und ein Elektron kann sehr leicht seinen Spin an ein Loch übertragen und umgekehrt, was die Dekohärenz beider Spins beschleunigt. Es ist daher besser, auf Löcher als Träger von Spin und Ladung ganz zu verzichten. Man beschränke sich auf n-dotierte Halbleiter-Kristalle; das sind solche, die durch Dotieren mit Fremdatomen ein paar Überschusselektronen im Leitungsband haben. Dagegen sind p-dotierte Halbleiter (Kristalle mit Löcherüberschuss) ungeeignet.

Von den Löchern abgesehen, ist die vorherrschende Ursache der Dekohä-renz ein relativistischer Effekt: Für einen Körper, der sich mit hoher Geschwindigkeit durch ein elektrisches Feld bewegt, transformiert sich dieses Feld teilweise in ein Magnetfeld. Ein Elektron, das sich in einem Halbleiter bewegt, "verspürt" das elektrische Feld, das durch die Kristallstruktur des Werkstoffes gegeben ist, zu einem gewissen Teil auch als Magnetfeld, und sein Spin präzediert entsprechend. Aus dem Pulk von vielleicht zehn Milliarden Elektronen, die wir in unseren Experimenten auf die Reise schicken, fliegen manche schneller als andere und präzedieren daher auch weiter. Das geht so weit, dass Elektronenspins, die anfänglich parallel waren, nach einer gewissen Zeit in entgegengesetzte Richtungen weisen. Was wir messen können, ist nur die Summe aller Spins, sodass deren Auseinanderlaufen als Abnahme der Kohärenz erscheint. Gleichwohl messen wir eine bemerkenswert lange Kohärenzzeit für das ganze Ensemble, was zu der Hoffnung Anlass gibt, dass einzelne Elektronen noch weit längere Zeiten durchhalten.

Ein Spin muss nicht nur eine Weile erhalten bleiben; er muss auch einen Transport über eine gewisse Entfernung überstehen und schnell und präzise manipulierbar sein. Dass der Transport möglich ist, wurde erstmals in n-dotiertem Galliumarsenid gezeigt. Mit einem Laserpuls wurde ein Pulk kohärent präzedierender Elektronen erzeugt, ähnlich wie in den Lebensdauer-Experimenten, aber dann zog ein seitwärts gerichtetes elektrisches Feld die Elektronen durch den Kristall. Die Spinpakete legten eine Strecke von mehr als hundert Mikrometern zurück, weit mehr als den Durchschnittsweg von Transistor zu Transistor in einem heutigen Mikrochip, und zwar bei nur mäßiger Abnahme der Spinpolarisation.

In jüngster Zeit ist es gelungen, Elektronen unter Erhalt der Spinpolarisation über Grenzschichten zwischen Halbleiterkristallen verschiedener Zusammensetzung zu treiben (etwa von GaAs nach ZnSe). Heterostrukturen aus verschiedenen Halbleitern werden in der Mikro-elektronik häufig verwendet, von Lasern bis zu Transistoren. Die dort erprobten Konstruktionstechniken könnten auch in der Spintronik angewandt werden.

Kürzlich gelang es auch, mit Laserpulsen von 150 Femtosekunden Dauer kohärente Elektronenspins ein wenig zu kippen; das zeigte, dass solche Spins im Prinzip Tausende von Malen manipuliert werden können, bevor sie ihre Kohärenz verlieren.

Forscher mit bescheideneren Zielen haben in der Zwischenzeit neue magnetische Halbleiter gefunden und verfeinert, womit sie dem Fernziel des Spintransistors ein Stück näher gerückt sind.

Die Spintronik verbreitet sich zurzeit wie eine Revolution, die an jeder Front rasend schnell neues Terrain gewinnt. Mit den Mitteln der Quantenmechanik wird sie Leistungen vollbringen, die auf klassischem Wege zu erreichen unvorstellbar wäre.

Literaturhinweise


Semiconductor Spintronics and Quantum Computation. Von D. D. Awschalom, D. Loss und N. Samarth (Hgg.). Springer, 2002.

Submicrometer Ferromagnetic NOT Gate and Shift Register. Von D. A. Allwood et al. und R. P. Cowburn in: Science, Bd. 296, S. 2003, 14. Juni 2002.

Microchips That Never Forget. Von A. Cho in: Science, Bd. 296, S. 246, 12. April 2002.

Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future. Von S. A. Wolf et al. in: Science, Bd. 294, S. 1488, 16. November 2001.

Ultrafast Manipulation of Electron Spin Coherence. Von J. A. Gupta, R. Knobel, N. Samarth und D.D. Awschalom in: Science, Bd. 292, S. 2458, 29. Juni 2001.

Meet the Spin Doctors. Von P. Ball in: Nature, Bd. 404, S. 918, 27. April 2000.


Der Spin des Elektrons


Zusätzlich zu Masse und elektrischer Ladung haben Elektronen eine Art Eigendrehimpuls, den "Spin", fast als wären sie rotierende Kugeln.

Mit dem Spin verbunden ist ein magnetisches Feld, ähnlich dem eines winzigen Stabmagneten, der parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist.

Man pflegt den Spin als Vektor darzustellen. Für eine Kugel, die sich von West nach Ost dreht, weist der Vektor nordwärts ("aufwärts"), für die umgekehrte Drehrichtung abwärts. Oder ("Rechtehandregel"): Wenn die Finger der rechten Hand in Drehrichtung weisen, zeigt der Daumen in Richtung des Vektors. Man pflegt die beiden Zustände kurz als "spin-up" und "spin-down" zu bezeichnen.

In einem Magnetfeld haben Elektronen verschiedene Energien, je nachdem, ob ihr Spin auf- oder abwärts weist.

In einem gewöhnlichen Stromkreis sind die Spins zufällig orientiert und beeinflussen den Stromfluss nicht.

Die Spintronik-Bauelemente erzeugen "spinpolarisierte Ströme" aus Elek-tronen mit einheitlich ausgerichtetem Spin und lassen einen Strom je nach Polarisierung durch oder auch nicht.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
8 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002

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