Spintronik mit Perowskiten

Für die Entwicklung effizienter und günstiger Solarzellen bietet die Materialklasse der Perowskite vielversprechende Kandidaten. Erste Prototypen aus diesem kristallinen Werkstoff haben bereits Wirkungsgrade von mehr als zwanzig Prozent erzielt. Nun fanden Wissenschaftler ein weiteres Anwendungsfeld: Perowskite könnten zu extrem kompakten und leistungsfähigen Schaltkreisen führen, die auf dem kontrollierten und schnellen Schalten einzelner Elektronenspins basieren. In der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten die Forscher nun von einer unerwartet langen Stabilität solcher Spinzustände – eine Grundvoraussetzung für die Spintronik.

Grafik Darstellung des Versuchsaufbaus: Kugel zwischen einem magnetischen Nord- und Südpol, in die zwei Pfeile hineinströmen und einer wieder heraustritt.
Spintronik mit Perowskit

Herkömmliche Elektronik basiert auf der elektrischen Ladung von Elektronen. Diese Teilchen besitzen aber noch eine bisher ungenutzte, quantenmechanische Eigenschaft, nämlich den Spin. Durch die gezielte Manipulation von Elektronenspins – die grundsätzlich nur zwei verschiedene Zustände annehmen können – ließe sich eine ganz neue Art von Elektronik realisieren, die Spintronik. „Es ist eine große Herausforderung, ein Material zu finden, in dem sich die Spins manipulieren lassen und gleichzeitig eine lange Lebensdauer haben“, sagt Sarah Li von der University of Utah. Beide Eigenschaften ließen sich in ersten Versuchen mit Materialien wie Platin, Silizium oder Graphen noch nicht vereinen. Doch Perowskit zeigte nun genau dieses Verhalten. Dazu deponierten Li und ihre Kollegen über ein nasschemisches Verfahren eine hauchdünne, kristalline Perowskitschicht auf einer Unterlage aus Glas.

Für ihre Messungen kühlten die Forscher den Perowskitfilm zunächst auf minus 269 Grad Celsius ab. Mit extrem kurzen Laserpulsen – nur jeweils 150 Femtosekunden lang – richteten sie dann den Spin der Elektronen im Perowskitfilm aus. Über einen zweiten, zeitversetzt auf die Probe gerichteten Laserpuls ließ sich schließlich eine Lebensdauer der Elektronenspins von etwa einer Nanosekunde messen. Innerhalb dieser Zeitspanne schaltete das Team die Spinausrichtung mit einem alternierenden Magnetfeld mehr als zehnmal hin und her.

Mit diesem Grundlagenexperiment zeigten die Wissenschaftler, dass Perowskite prinzipiell für den Aufbau von spintronischen Schaltkreisen geeignet sind. Bis zu einem anwendungsreifen Spintronikchip ist der Weg allerdings noch sehr weit. Denn bisher zeigt der Perowskitfilm die lange Spinlebensdauer nur bei sehr tiefen Temperaturen. Aufgewärmt auf etwa minus 213 Grad Celsius ließ sich das schnelle Schalten mit einem Magnetfeld nicht mehr realisieren. Doch da Perowskite in ihrer Zusammensetzung gezielt verändert werden können, wären neue Materialkombinationen mit langlebigen Spinzuständen auch bei höheren Temperaturen nicht ausgeschlossen.