IBM-Forscher: Tanz der Elektronenspins

Sie konnten erstmalig das Auftreten einer beständigen Spinhelix in einem Halbleiter direkt abbilden, bei der Elektronenspins synchron rotieren. Die neu gewonnenen Erkenntnisse helfen, um den Spin in elektronischen Bauelementen gezielt zu manipulieren und zu kontrollieren. Damit sind sie für die praktische Anwendung der Spintronik von zentraler Bedeutung.

In der im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature Physics veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher von IBM Research und dem Labor für Festkörperphysik der ETH Zürich zudem, dass sich durch die Spinhelix die Lebensdauer eines Spins um das 30-fache auf 1,1 Nanosekunden verlängert. Dies entspricht der Taktrate eines 1-GHz-Prozessors – also der Zeit, die für einen Verarbeitungsschritt benötigt wird.

Bislang war unklar, ob Elektronenspins die Fähigkeit besitzen, die codierte Information lange genug vor einer Änderung des Spinzustands zu erhalten. Die nun demonstrierte Verlängerung der Spinlebensdauer entspricht genau dem aufgrund von gemessenen Materialparametern erwarteten Wert. Damit haben die Forscher den limitierenden Mechanismus nachgewiesen und können in einem nächsten Schritt weitere Optimierungen vornehmen.

Heute werden Informationen in Computerchips mit der elektrischen Ladung des Elektrons codiert und verarbeitet. Mit zunehmender Verkleinerung der Schaltelemente nähert sich diese Technik jedoch physikalischen Grenzen, jenseits derer eine Kontrolle des Elektronenflusses kaum mehr möglich ist. Die Spintronik stellt einen möglichen Ansatz dar, um diese sich abzeichnende Sackgasse zu überwinden. Sie verwendet anstelle der Ladung das magnetische Moment des Elektrons. Dieses magnetische Moment stammt vom Eigendrehimpuls des Elektrons und wird Spin genannt. Die Grundeinheit der digitalen Informationsverarbeitung, ein Zustand 0 oder 1, wäre in solchen Bauteilen die Richtung des Spins. Da spinbasierte Elektronik nicht auf dem Verschieben von Ladung basiert, sondern auf einer Änderung des Spinzustands, könnte die Spintronik weitaus energieeffizientere Computer und Speicher ermöglichen.

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