Spintronik: Tunneleffekt bei spinpolarisierten Strömen entdeckt

Durch Anlegen einer Temperaturdifferenz erzeugten Wissenschaftler einen Spin-Strom von einem Ferromagneten über eine Tunnelbarriere in einen Silizium-Halbleiter

Utrecht (Niederlande)/Groningen (Niederlande)/Tsukuba (Japan) - Der Tunneleffekt an Elektronen ist ein bekanntes quantenmechanisches Phänomen: Liegt zwischen zwei Elektroden eine Spannung an und haben diese einen genügend geringen Abstand voneinander, so können Elektronen aus einer Elektrode durch eine isolierende Zwischenschicht in die andere Elektrode "tunneln". Diesen Effekt haben Physiker des Netherlands Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM) nun an solchen Elektronen beobachtet, die ihren Spin in eine bestimmte Richtung ausgerichtet hatten: an sogenannten spinpolarisierten Strömen. Spinpolarisierte Ströme sind ein grundlegender Aspekt der Spintronik und versprechen schnellere und energieeffizientere Bauelemente in der Daterverarbeitungstechnik.

Die Wissenschaftler beobachteten diesen "Spin-Tunneleffekt" an einem Aufbau aus zwei Elektroden - einem ferromagnetischen Metall und einem Silizium-Halbleiter - und einer zwischen ihnen liegenden Isolatorschicht als Tunnelbarriere. Dazu erhitzten sie den Halbleiter und erzeugten somit einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Elektroden. Aufgrund des Temperaturgradienten und des sogenannten Spin-Seebeck-Effekts begannen die Elektronen zwischen dem Ferromagneten und dem Silizium-Halbleiter zu tunneln, und zwar so, dass sich im Silizium ein Überschuss aus Elektronen einer bestimmten Spinausrichtung einstellte. Da in einem Ferromagneten die unterschiedlich ausgerichteten Spins verschiedene Eigenschaften besitzen, ist es für Elektronen mit einer bestimmten Spinausrichtung wahrscheinlicher, dass sie von der einen Elektrode in die andere tunneln als umgekehrt. Dadurch entsteht eine "Spin-Spannung" und folglich ein spinpolarisierter Strom durch die Isolatorschicht. Die Wissenschaftler konnten weiterhin beobachten, dass wenn sie die Temperaturdifferenz der beiden Elektroden umkehrten, sich auch die einstellende Spinausrichtung im Silizium-Halbleiter umkehrte.

In der Elektronik wird heutzutage die Ladung der Elektronen ausgenutzt, um Informationen darzustellen oder zu verarbeiten. Elektronen besitzen aber nicht nur eine Ladung, sondern auch ein magnetisches Moment, den Spin. Nutzt man den Spin und nicht die Ladung aus, um Informationen zu übermitteln, so spricht man von Spintronik. Es handelt sich dabei um ein recht junges Forschungsgebiet, dessen Grundlagen noch erforscht werden. Mit ihren Experimenten zu Spin-Strom und Tunnelkontakten haben die Wissenschaftler nun weitere Erkenntnisse hinzugewonnen.