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Nanotechnologie: Der richtige Dreh

Dass Magneten sich in Magnetfeldern ausrichten, haben schon die alten Chinesen mit ihren frühen Kompanten genutzt. Moderne Speicherchips für Computer könnten demnächst die feineren Drehimpulse der Elektronen verwenden, um Magnete im Nanomaßstab zu schalten.
Ohne Übertreibung gehören die winzig kleinen Elektronen zu den großen Stützen unserer technisierten Gesellschaft. Wo immer "elektrischer" Strom fließt, ein "elektrisches" Gerät uns Arbeit abnimmt oder wir Computer die "elektronische" Datenverarbeitung erledigen lassen, sind sie die treibenden Teilchen. Und doch nutzen wir bislang nur eine von zwei hervorragenden Eigenschaften der Elektronen: ihre Ladung. Das andere Merkmal – ihr Drehimpuls oder Spin – fristete lange Zeit ein technisches Schattendasein.

Diese Zeiten könnten bald vorbei sein. Als "Spintronic" schlüpft allmählich ein neuer Technikzweig aus seiner Puppenhülle von Elektronik und Nanotechnik. Hier schalten und walten die Elektronen durch die mitreißende Kraft ihres Spins in räumlichen Maßstäben, die für konventionelle Methoden schlicht zu klein wären. Schritt für Schritt ergründen Wissenschaftler die Möglichkeiten der elektronischen Drehimpulse, immer mit einem Blick auf potenzielle Anwendungen für den Hightech-Alltag.

Voran schreitet häufig die Theorie mit ihren physikalischen Modellen. So könnte es sein, dass ein Strom von Elektronen mit ausgerichtetem Spin die Magnetisierung von winzigen Nanomagneten umzukehren vermag. Was ungeheuer praktisch wäre, um ähnlich wie auf den bekannten Computer-Disketten Informationen auf kleinstem Raum magnetisch abzuspeichern. Dummerweise besagt eine andere Theorie, dass die Elektronen den Nanomagneten nur ordentlich verwirren und seine Magnetisierung zerstören könnten. Zwei Theorien mit völlig entgegengesetzten Aussagen – Zeit für praktische Experimente also.

Ein Forscherteam um Ilja Krivorotov von der US-amerikanischen Cornell-Universität nahm sich der Fragestellung an und schickte verschieden starke Ströme Spin-ausgerichteter Elektronen durch einen Nanomagneten, der aus mehreren Metallschichten aufgebaut war. Was sie entdeckten, dürfte die Anhänger beider Theorien zufrieden stellen und zugleich Hoffnungen auf neue Mikrospeicherbausteine wecken: Nanomagnete lassen sich durch Elektronenspins sehr kontrolliert schalten.

Bei einem ausreichend großen Elektronenstrom reißen die Elektronenspins den Magneten aus seiner stabilen Ruhelage und zwingen ihm eine passende Neuausrichtung auf. Je größer der Strom ist, umso schneller schaltet das Nanoteil. Knapp unterhalb der Schwellenstroms heben sich jedoch die stabilisierenden und die neuordnenden Kräfte auf. Der Magnet schwingt und sendet mit seiner Oszillation Mikrowellen aus. Innerhalb einer Milliardstel Sekunde lässt sich dieser Nano-Mikrowellenofen mit dem Elektronenstrom ein- und ausschalten.

Einige der Ergebnisse haben andere Arbeitsgruppen bereits in eigenen Experimenten vorweggenommen, doch niemand hat die Abläufe beim Schalten mit Spin so gut dokumentiert wie Krivorotovs Team. In logischen Bausteinen für Computer und Kommunikationstechnik könnte die Spintronic sich ebenso eine Nische als Mikrowellen-Takter erobern wie als Magnetisierungsschalter in der Speichertechnik auf kleinstem Raum. Das wäre dann schon der zweite Siegeszug des Elektrons. Man darf gespannt sein.
14.01.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 14.01.2005

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