Exotisch: Legierung zwischen Magnet und Halbleiter

Eine neue Legierung nimmt einen bisher unbeobachteten quantenphysikalischen Zustand zwischen Magnet und Halbleiter an.

Spins von Mangan und freien Ladungsträgern in der Legierung.
Spins von Mangan und freien Ladungsträgern in der Legierung.

London (Großbritannien) - Halbleiter auf Siliziumbasis und ferromagnetisches Eisen sind aus moderner Elektronik nicht mehr wegzudenken.

Prozessoren, Festplatten, Elektromotoren - die Liste der Anwendungen ließe sich beliebig fortsetzen. Für zukünftige Technologien ist ein tieferes Verständnis und die Weiterentwicklung halbleitender und magnetischer Materialien daher unerlässlich. Ein Team von Forschern aus Großbritannien, den USA und Lesotho entdeckte nun in einer einfachen Legierung bisher nicht beobachtete Eigenschaften.

Die Legierung aus Eisen, Silizium und Mangan verhalte sich weder wie ein Magnet noch wie ein herkömmlicher Halbleiter, so die Forscher. Dieser neue quantenphysikalische Zustand sei ein Resultat der verschiedenen Spins (Eigenrotation) von Elektronen und Manganatomen im Material. Durch Anlegen eines schwachen Magnetfeldes an die Probe gelang es den Forschern, auf herkömmliches Halbleiterverhalten umzuschalten.

Die außergewöhnlichen Eigenschaften erzeugten sie durch Beigabe einer kleinen Menge Mangan zu einem Halbleiter aus Eisen und Silizium. Dazu John F. DiTusa, Co-Autor der Veröffentlichung: "Es ist erstaunlich, dass wir den bisher nur theoretisch vorhergesagten Effekt in einer Legierung gefunden haben, die lediglich durch das Verschmelzen einiger gewöhnlicher Elemente entsteht." Dabei verdrängen die hinzugefügten Manganatome einige der Eisenatome von ihren Plätzen. Der entscheidende Unterschied: Mangan hat ein Elektron in seiner äußersten Schale weniger als Eisen und einen Spin, der nicht vollständig von den freien Ladungsträgern der Legierung kompensiert werden kann.

In einem nächsten Schritt planen die Forscher, das technische Potential des Effektes zu untersuchen. "Wir sind sehr gespannt, ob wir in weiteren Experimenten den Effekt auch in dünnen Schichten des Materials auf Silizium-Wafern finden werden", so Ncholu Manyala von der Universität Lesotho. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher in der Kontrolle von elektrischen Strömen in Halbleiterbauteilen, der Informationsdarstellung durch Spins und in der Spin-Elektonik (siehe nebenstehenden Links zu Spintronik).