Spintronik: Angeheizt
Immer kleiner, immer schneller und natürlich energiesparend sollen die Geräte der Zukunft sein. Wo die klassische Elektronik allmählich an ihre Grenzen gerät, bietet die Spintronik einen viel versprechenden Ausweg. Noch steckt sie allerdings in den Kinderschuhen. Dank einer originellen Idee überwindet der neuartige Strom nun immerhin schon einige Millimeter.
Elektronische Geräte haben in Form von Computer, Handy oder Geschirrspülmaschine längst unseren Alltag erobert. Ein Leben ohne sie – kaum vorstellbar. All diese Errungenschaften verdanken wir nicht zuletzt den unzähligen kleinen Elementarteilchen, die ihre Ladung und damit den elektrischen Strom durch all diese Gerätschaften transportieren. Seit gut 20 Jahren wollen sich Physiker aber noch eine weitere Eigenschaft der Elektronen zu Nutze machen: ihren Spin oder Eigendrehimpuls.
Auch wenn der Gedanke an eine rotierende, geladene Kugel dabei naheliegen mag, gelten für die winzigen Partikel die schrägen Gesetze der Quantenmechanik, und eine solche Modellvorstellung hält diesen leider nicht stand. Vielmehr handelt es sich beim Spin um eine Eigenschaft oder ein Persönlichkeitsmerkmal des Teilchens. Verbunden ist mit ihm auch ein magnetisches Moment, welches das Elektron zu einer Art Mini-Magnet macht. Trotz der mikroskopischen Ausmaße richtet er sich wie die Großen in einem äußeren Magnetfeld nach den magnetischen Feldlinien aus – so wie eine Kompassnadel.
Ein Auf und Ab
Im Gegensatz dazu darf das Elektron seinen Spin aber nicht in jede beliebige Richtung drehen – nur zwei entgegengesetzte sind erlaubt: Spin aufwärts und Spin abwärts. Diese quantenmechanische Eigenschaft wird bereits genutzt, um Daten auf einem Computer zu verarbeiten: Auf einer Festplatte sind die Informationen in winzigen Bereichen mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen gespeichert. Mit Hilfe des so genannten Riesenmagnetowiderstand-Effekts lassen sich diese in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln und so auslesen. Dabei beeinflussen die kleinen Magnetfelder den Spin der Elektronen im Lesekopf und damit auch den elektrischen Widerstand darin. Eine der ersten direkten Anwendungen der Spintronik.
Bislang hapert es aber noch daran, spinpolarisierte Ströme in Halbleitern zu erzeugen und über längere Distanzen fließen zu lassen. Hierin sind die Spins der Elektronen nicht zufällig verteilt, sondern zeigen in eine bestimmte Richtung. Bislang lässt sich dieser Zustand nur über Distanzen von einigen hundert Nanometern aufrecht halten. Danach verschwindet die Polarisation der Spins, und der Strom bricht zusammen. Ein seit fast 200 Jahren bekannter Effekt bietet nun einen eleganten Weg, den Spin-Strom rund 10 000 Mal weiter als in Kupferdraht fließen zu lassen.
Temperaturgefälle als Antrieb
Eigentlich erzeugt der so genannte Seebeck-Effekt aus Hitze elektrische Energie – ein Trick, der zum Beispiel in Weltraum-Satelliten zum Einsatz kommt. Nach Eiji Saitoh von der Keio-Universität in Yokohama und seinen Kollegen könnte Hitze aber auch genutzt werden, um einen reinen Strom aus Spins anzutreiben. Zwar bewegen sich dabei auch Ladungen, doch im Mittel fließt kein elektrischer Strom – es wandern also genauso viele Elekronen nach links wie nach rechts.
Für ihr Experiment bastelte das Team zunächst eine sechs Millimeter lange und vier Millimeter breite Magnetfolie. Eine 20 Nanometer dicke Schicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung (Ni81Fe19) funktioniert dabei als Permanentmagnet, ein Saphir-Substrat als Unterlage. Dann erzeugten die Wissenschaftler ein Temperaturgefälle in der Folie, indem sie nur ein Ende erhitzen.
Auf Grund des magnetischen Feldes, das dieselbe Ausrichtung hat wie der Temperaturgradient, besitzen die Elektronen je nach auf- oder abwärts zeigendem Spin ein unterschiedliches chemisches Potenzial. Dieses Ungleichgewicht führt gepaart mit dem Temperaturgefälle zu einem Überschuss an Spin-up-Elektronen am kühlen Ende sowie an Spin-down-Elektronen am warmen Ende. Analog zum Ladungstransport sprechen Forscher dabei von einer Spin-Spannung.
Neues Werkzeug für die Spintronik
Diese ist proportional zum Temperaturunterschied und ändert sich linear über die Probe, berichten die Wissenschaftler. Wie auch in der klassischen Elektronik führt die Spin-Spannung zu einem Stromfluss – nur werden hier Spin-up-Elektronen in die eine und Spin-down-Elektronen in die andere Richtung transportiert, ohne dass ein elektrischer Strom fließt.
Da sich die Spinpolarisation über die gesamte Länge – also über 6 Millimeter – hält, sind die Wissenschaftler zuversichtlich, die überbrückte Wegstrecke mit Hilfe des Spin-Seebeck-Effekts weiter auszudehnen. Damit geben sie der Spintronik einen viel versprechenden neuen Ansatz in die Hand, um den futuristischen Träumen der Verbraucher wieder ein Stückchen näherzukommen.
Auch wenn der Gedanke an eine rotierende, geladene Kugel dabei naheliegen mag, gelten für die winzigen Partikel die schrägen Gesetze der Quantenmechanik, und eine solche Modellvorstellung hält diesen leider nicht stand. Vielmehr handelt es sich beim Spin um eine Eigenschaft oder ein Persönlichkeitsmerkmal des Teilchens. Verbunden ist mit ihm auch ein magnetisches Moment, welches das Elektron zu einer Art Mini-Magnet macht. Trotz der mikroskopischen Ausmaße richtet er sich wie die Großen in einem äußeren Magnetfeld nach den magnetischen Feldlinien aus – so wie eine Kompassnadel.
Ein Auf und Ab
Im Gegensatz dazu darf das Elektron seinen Spin aber nicht in jede beliebige Richtung drehen – nur zwei entgegengesetzte sind erlaubt: Spin aufwärts und Spin abwärts. Diese quantenmechanische Eigenschaft wird bereits genutzt, um Daten auf einem Computer zu verarbeiten: Auf einer Festplatte sind die Informationen in winzigen Bereichen mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen gespeichert. Mit Hilfe des so genannten Riesenmagnetowiderstand-Effekts lassen sich diese in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln und so auslesen. Dabei beeinflussen die kleinen Magnetfelder den Spin der Elektronen im Lesekopf und damit auch den elektrischen Widerstand darin. Eine der ersten direkten Anwendungen der Spintronik.
Bislang hapert es aber noch daran, spinpolarisierte Ströme in Halbleitern zu erzeugen und über längere Distanzen fließen zu lassen. Hierin sind die Spins der Elektronen nicht zufällig verteilt, sondern zeigen in eine bestimmte Richtung. Bislang lässt sich dieser Zustand nur über Distanzen von einigen hundert Nanometern aufrecht halten. Danach verschwindet die Polarisation der Spins, und der Strom bricht zusammen. Ein seit fast 200 Jahren bekannter Effekt bietet nun einen eleganten Weg, den Spin-Strom rund 10 000 Mal weiter als in Kupferdraht fließen zu lassen.
Temperaturgefälle als Antrieb
Eigentlich erzeugt der so genannte Seebeck-Effekt aus Hitze elektrische Energie – ein Trick, der zum Beispiel in Weltraum-Satelliten zum Einsatz kommt. Nach Eiji Saitoh von der Keio-Universität in Yokohama und seinen Kollegen könnte Hitze aber auch genutzt werden, um einen reinen Strom aus Spins anzutreiben. Zwar bewegen sich dabei auch Ladungen, doch im Mittel fließt kein elektrischer Strom – es wandern also genauso viele Elekronen nach links wie nach rechts.
Für ihr Experiment bastelte das Team zunächst eine sechs Millimeter lange und vier Millimeter breite Magnetfolie. Eine 20 Nanometer dicke Schicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung (Ni81Fe19) funktioniert dabei als Permanentmagnet, ein Saphir-Substrat als Unterlage. Dann erzeugten die Wissenschaftler ein Temperaturgefälle in der Folie, indem sie nur ein Ende erhitzen.
Auf Grund des magnetischen Feldes, das dieselbe Ausrichtung hat wie der Temperaturgradient, besitzen die Elektronen je nach auf- oder abwärts zeigendem Spin ein unterschiedliches chemisches Potenzial. Dieses Ungleichgewicht führt gepaart mit dem Temperaturgefälle zu einem Überschuss an Spin-up-Elektronen am kühlen Ende sowie an Spin-down-Elektronen am warmen Ende. Analog zum Ladungstransport sprechen Forscher dabei von einer Spin-Spannung.
Neues Werkzeug für die Spintronik
Diese ist proportional zum Temperaturunterschied und ändert sich linear über die Probe, berichten die Wissenschaftler. Wie auch in der klassischen Elektronik führt die Spin-Spannung zu einem Stromfluss – nur werden hier Spin-up-Elektronen in die eine und Spin-down-Elektronen in die andere Richtung transportiert, ohne dass ein elektrischer Strom fließt.
Da sich die Spinpolarisation über die gesamte Länge – also über 6 Millimeter – hält, sind die Wissenschaftler zuversichtlich, die überbrückte Wegstrecke mit Hilfe des Spin-Seebeck-Effekts weiter auszudehnen. Damit geben sie der Spintronik einen viel versprechenden neuen Ansatz in die Hand, um den futuristischen Träumen der Verbraucher wieder ein Stückchen näherzukommen.
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