IBM-Forscher bringen Spintronik weiter

Physiker von IBM Research Zürich haben einen Durchbruch in der Erforschung des Elektronenspins als Basis für zukünftige Speicher- und Logikanwendungen erzielt. Sie konnten erstmals zeigen, dass es möglich ist, die Elektronenspins in einem Halbleiter synchron rotieren zu lassen. Die neu gewonnenen Erkenntnisse helfen, den Spin in elektronischen Bauelementen gezielt zu manipulieren und zu kontrollieren. Damit sind sie für die praktische Anwendung der Spintronik von zentraler Bedeutung.

In ihrem Experiment wiesen die Forscher nach, wie sich Elektronenspins in einem Halbleiter über eine Distanz von 20 Mikrometern ausbreiten und dabei synchron drehen. Die Entstehung einer derartigen sogenannten Spinhelix war bisher noch nie in einem Halbleiter beobachtet worden.

Normalerweise rotieren die Spins unterschiedlich schnell und verlieren nach kurzer Zeit ihre Ausrichtung. Nun lässt sich ihre Drehgeschwindigkeit mit ihrer Bewegungsrichtung koppeln, sodass sie örtlich exakt gleich ausgerichtet werden können. Zudem lässt sich die Lebensdauer eines Spins mit der erwähnten Technik soweit verlängern, dass er in einem 1-GHz-getakteten System verarbeitet werden kann. Das wiederum wird als wichtiger Schritt hin zu spinbasierten Transistoren angesehen, die elektrisch programmierbar sind.

Magnetismus statt Ladung

Heutige Elektronik codiert und verarbeitet Informationen auf Basis der elektrischen Ladung von Elektronen. Mit zunehmender Verkleinerung der Schaltelemente nähert sich diese Technik jedoch physikalischen Grenzen, jenseits derer die Kontrolle des Elektronenflusses kaum mehr möglich ist. Die Spintronik ist ein möglicher Ansatz, um diese Grenze zu überwinden.

Spintronik verwendet anstelle der Ladung die magnetischen Eigenschaften des Elektrons. Sie stammen von der Rotation des Elektrons, der als Spin bezeichnet wird. In spintronischen Bauteilen entspricht ein Bit dann der Drehrichtung des Spins. Da spinbasierte Bauelemente nicht auf dem Verschieben von Ladung basieren, sondern auf der Änderung des Spinzustands, könnten sie weitaus energieeffizientere Computer und Speicher ermöglichen.

Erste Komponenten, die mit Spineffekten arbeiten, gibt es bereits. Dazu gehören etwa Festplatten mit GMR-Technik (Giant Magnetoresistance), die in den letzten Jahren massiv höhere Speicherdichten ermöglichte.

Trotzdem bleibt ein langer Weg zu praktischen Spintronik-Anwendungen in künftigen Computern. So lassen sich viele der Experimente bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen durchführen. Die IBM-Forscher etwa arbeiteten bei -233 °C. Dies, weil dadurch die Interaktionen des Elektronenspins mit der Umgebung auf ein Minimum reduziert werden.