Ströme von Elektronenspins direkt beobachtet

Ähnlich zu Ladungsströmen kann auch der "Drehsinn" von Elektronen, genannt Spin, Ströme ausbilden. Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen solcher Ströme stellten amerikanische und deutsche Physiker nun im Magazin "Science" vor. Nach Meinung der Physiker sind die Resultate Grundlage für neue Wege in der Datenverarbeitung.

Energie-, Impuls- und Spinverteilung auf der Oberfläche von Antimon
Energie-, Impuls- und Spinverteilung auf der Oberfläche von Antimon

Jülich - Ströme aus Spins sind in der Forschung gefragt, weil sie Informationsübertragung fast ohne Energieverluste möglich machen. Abwärme müsste zum Beispiel nicht wie bei heutigen PCs aufwendig nach außen geführt werden.

Solche verlustfreien Ströme bilden sich den Ergebnissen amerikanischer und deutscher Physiker nach in einer Wismut-Antimon-Legierung aus. Dieses Material zeigt im Randbereich besondere Eigenschaften, die den sogenannten Quanten-Spin-Hall-Effekt ermöglichen. Der Effekt sorgt dafür, dass Elektronen mit unterschiedlichem Spin sich nicht auf den gleichen Wegen durch das Material bewegen, sondern in leicht verschiedenen. Die Spinströme bauen sich in der Wismut-Antimon-Legierung auch dann auf, wenn darin leichte Verunreinigungen vorhanden sind. Zudem entstehen die Ströme völlig spontan ohne äußere Wirkung.

Möglich wird das, weil in dem Material die Wechselwirkung zwischen der Bewegung der Elektronen mit ihrem jeweiligen Spin sehr stark ist. Eigentlich ist Wismut-Antimon ein Isolator, an seiner Oberfläche jedoch zeigt er für die Elektronen insofern teilweise metallische Eigenschaften, als die Elektronen sich dort frei auf bestimmten Bahnen bewegen können.

Welche Bahn sie genau einschlagen, hängt dann aber stark vom Spin der Elektronen ab. Mit einer ausgeklügelten Messmethode, basierend auf Photoelektronenspektroskopie, haben Forscher um Dr. Gustav Bihlmayer vom Jülicher Institut für Festkörperforschung diese Eigenschaft nun sichtbar gemacht. Sie beobachteten nicht nur den Effekt, sondern zeigten auch, dass diese Messmethode gut brauchbar ist, um weitere Materialien zu untersuchen, die eventuell Spinströme aufweisen. Irgendwann, so hoffen die Forscher, können die Spinströme kontrolliert und mit solchen Materialien kleinere, energiesparende Computer und vielleicht sogar Quantencomputer gebaut werden.