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News: Der richtige Dreh weist den Weg

Bislang nutzt die Elektronik ausschließlich die Ladung eines Elektrons, dabei besitzt das Elementarteilchen doch noch eine weitere Eigenschaft, die sich geradezu für die Informationsverarbeitung anbietet - den Spin. Die Spin-Elektronik, die ihn nutzen soll, steckt jedoch noch weitgehend in den Kinderschuhen. Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass man auf ganz einfache Weise einen Strom erzeugen kann, der hauptsächlich von einem Spin dominiert wird, indem zirkular polarisiertes Licht eine geschichtete Nanostruktur bescheint.
Elektronen, Photonen und andere Elementarteilchen besitzen einen Eigendrehimpuls, den so genannten Spin, der anschaulich die Drehbewegung des Teilchens um die eigene Achse beschreibt. Wie andere quantenmechanische Größen darf auch der Spin nur ganz bestimmte ganz- oder halbzahlige Werte annehmen. Für ein Elektron gibt es zwei mögliche Spineinstellungen: Spin rauf und Spin runter – zwei Möglichkeiten, die wie geschaffen dafür sind, digitale Information zu speichern. Photonen bieten nun drei Möglichkeiten, wie sich ihr Gesamtdrehimpuls zusammensetzen kann – je eine entsprechend der unterschiedlichen Polarisation des Lichts. So unterscheiden Physiker zwischen linear polarisiertem Licht, bei dem das elektrische Feld in einer Ebene schwingt, und links- sowie rechtsdrehend zirkular polarisiertem Licht, bei dem das elektrische Feld wie ein Propeller rotiert.

Physikern war schon lange bekannt, das Elektronen ihren Spin ändern können, wenn sie zirkular polarisiertes Licht absorbieren, was leicht zu einem Überschuss eines Elektronenspins bewirkt. Sergey Ganichev und seine Kollegen von der Universität Regensburg nutzten nun dieses Verhalten, um einen spinpolarisierten Strom zu erzeugen – also Ladungsträger überwiegend eines Spins transportiert werden. Dazu bestrahlten die Forscher eine sandwichartige Struktur unterschiedlicher Halbleiter mit zirkular polarisierten Pulsen eines Lasers im fernen infraroten Wellenlängenbereich. Sie stellten fest, dass das Licht einen Stromfluss senkrecht zum einfallenden Laserstrahl generierte. Verwendeten sie Laserlicht, dessen elektrisches Feld in entgegensetzter Richtung drehte, so kehrte sich auch die Fließrichtung des Stroms um – ganz so wie die Drehung der Räder eines Autos die Fahrtrichtung festlegt. Aber wie ist dieses Verhalten bei Elektronen und Photonen zu verstehen?

Aufgrund der im Experiment verwendeten besonderen Halbleiter-Schichtstruktur, insbesondere der geringen Höhe der Zwischenschicht von nur 20 Nanometern spielen quantenmechanische Effekte eine Rolle, die Elektronen in der Zwischenschicht festhalten. Außerdem ist in einer solchen Lagenstruktur das Kristallgitter verzerrt, das beeinflusst die Transporteigenschaften von Elektronen im Material, was wiederum bei einem Ungleichgewicht von Elektronenspins – hier durch den Einfall zirkular polarisierten Lichts hervorgerufen – zu einem Elektronenfluss führt.

Die Wissenschaftler haben bereits ein Patent für einen Polarisations-Detektor angemeldet. Aber die Technik scheint auch für weitere Aufgaben interessant zu werden, schließlich ist es laut Bruce McCombe von der State University of New York in Buffalo mit ihr einfach möglich, spinpolarisierte Ströme bei Raumtemperatur zu erzeugen, ohne das irgendwelche zusätzlich angelegten elektrischen und magnetischen Felder nötig sind. Neuartige Bauteile für zukünftige Computer-Hardware könnte davon beispielsweise profitieren.

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