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News: Nach der Elektronik die Spintronik

Auf dem Weg zum Quantencomputer wird sich einiges mehr in der Welt der Rechner ändern als nur deren Ausmaße. So könnte die Spinrichtung eines Elektrons genau so wichtig wie seine Ladung sein. Auch effizientere Halbleiterlaser würden von der Entwicklung der 'Spintronik' profitieren. Doch dazu müssen die Spinzustände der Elektronen tief im Material gemessen werden.
Genau das ist einem Wissenschaftlerteam der Yale University und der Bell Laboratories unter der Leitung von Sean E. Barrett gelungen. Zu ihrer eigenen Überraschung stellten sie fest, daß die Spinzustände eine längere Halbwertsdauer hatten als bisher angenommen (Science vom 31. Juli 1998 und Physical Review Letters vom 20. Juli 1998).

Die Wissenschaftler untersuchten nur die Elektronen in einer sehr dünnen Schicht Galliumarsenid (GaAs), die zwischen zwei dickeren Lagen aus Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) eingeschlossen war. Beide Materialien finden häufig in elektronischen Hochgeschwindigkeits-Bauteilen und in Halbleiterlasern Anwendung. Die Probe wurde auf 0,3 Kelvin abgekühlt, was die Beweglichkeit der Elektronen auf zwei Dimensionen reduzierte. Senkrecht zu den Halbleiterschichten legten die Forscher ein starkes magnetisches Feld von zwölf Tesla (etwa die 240 000fache Intensität des Erdmagnetfeldes) an, wodurch das Elektronensystem in den Bereich versetzt wird, in dem der fraktionierte Quanten-Hall-Effekt wirksam ist. Er gehört zu einer Reihe von seltsam anmutenden Eigenschaften der Materie, die in makroskopischen und mikroskopischen klassischen Modellen nicht vorkommen und in unserer Alltagserfahrung nicht beobachtet werden. Bei den extrem kleinen Abmessungen künftiger Apparate und Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt werden sie jedoch zu den beherrschenden Größen.

Barrett und seine Kollegen richteten die Elektronenspins mit Laserlicht oder Radiowellen aus und maßen mit NMR-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance, Kernspinresonanz) die Relaxationszeit, ohne dabei auf die Elektronen einzuwirken. Sie waren erstaunt, daß der Spinzustand rund 100 Mikrosekunden beibehalten wurde – länger als andere elektronische Prozesse, die zuvor in Halbleitern untersucht wurden.

Abgesehen von der Bedeutung für die Grundlagenforschung könnten die Ergebnisse auch die Entwicklung der vielzitierten Quantencomputer einen kleinen Schritt voranbringen auf dem weiten Weg zum fertigen Rechner. "In einem Magnetfeld hängt die Energie eines Elektrons davon ab, ob sein Spin auf oder ab gerichtet ist", sagt Sean E. Barrett. "Zukünftige Quantencomputer könnten Nutzen daraus ziehen, daß ein Elektron zugleich in beiden Zuständen sein kann – eine Möglichkeit, die außerhalb der Welt klassischer Computer liegt, die auf binäre Daten basiert."

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