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Spintronik: Spinpolarisation in Silizium bei Raumtemperatur

SandwichstrukturLaden...
Physikern der Universität Twente in den Niederlanden ist es gelungen, die Spins von Elektronen in Silizium bei Raumtemperatur gleich auszurichten, zu kontrollieren und nachzuweisen. Dies sei ein weiterer Schritt hin zu elektronischen Geräten, in denen digitale Informationen nicht wie bisher mit Hilfe der Ladung eines Elektrons übertragen werden, sondern mittels der Orientierung seines Spins.

Saroj Prasad Dash und Kollegen entwickelten einen Siliziumchip mit drei ferromagnetischen Elektroden. In einen dieser Anschlüsse injizieren sie einen elektrischen Strom, wobei die Spins der Ladungsträger allesamt in eine Richtung zeigten. Die Konzentration von gleichgerichteten Spins war direkt unter dem Kontakt am größten und verlor sich mit zunehmendem Abstand davon. Diese so genannte Diffusionslänge der Spins betrug im Experiment 230 Nanometer. Solche Wegstrecken sollten ausreichen, um Spininformationen durch die Kanäle moderner Siliziumtransistoren zu leiten, schreiben die Autoren. Sie erreichten eine maximale Spinpolarisation von 4,6 Prozent.

Aufbau des SiliziumchipsLaden...
Aufbau des Siliziumchips | Diese Sandwichstruktur erlaubt den Transfer von Spinpolarisation vom ferromagnetischen Material der Elektrode ins Silizium – und das bei Raumtemperatur.
Durch schwache magnetische Felder ließen sich die injizierten Spins kontrollieren. Indem die Forscher den spinpolarisierten Strom konstant hielten und bei veränderlichem Magnetfeld die anliegende Spannung zwischen der Elektrode und einem Referenzpunkt bestimmten, konnten sie die Spinpolarisation nachweisen. Denn Letztere trägt minimal zur gemessenen Spannung bei. Die Manipulation der Spins funktionierte sowohl in negativ dotiertem, also mit zusätzlichen freien Elektronen angereichertem, als auch in positiv dotiertem Silizium.

Mit Hilfe der Spintronik könnten im Vergleich zur heutigen Elektronik größere Datenmengen gespeichert und schneller sowie Energie sparender verarbeitet werden. Da Silizium in den aktuellen Technologien weit verbreitet ist, wollen Forscher hier auch die auf Spins basierende Elektronik ablaufen lassen. Bislang funktionierte die Kontrolle über die Spins in diesem Halbleitermaterial jedoch nur bei Temperaturen unter minus 120 Grad Celsius, was nicht praktikabel ist.

Die neue Studie könnte den Weg dafür ebnen, Spintronikbauteile auf Basis von Silizium zu fertigen und in Geräte zu integrieren, so die Wissenschaftler um Jansen. In einem begleitenden Artikel bezeichnet Michael Flatté von der University of Iowa, der dem Team nicht angehört, die Arbeit als gewaltigen Fortschritt auf dem Gebiet. Unter denselben Bedingungen einen Spintransport zwischen zwei Kontakten zu realisieren, sei nun ein wünschenswerter nächster Schritt. (mp)
48. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 48. KW 2009

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  • Quellen
Dash, S. P. et al.: Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature. In: Nature 462, S. 491–494, 2009.

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