Elektronenspins an Halbleiteroberfläche getrennt

Würzburger Physiker haben die Spin-Architektur einer Halbleiteroberfläche bestimmt. Dazu wurden die Elektronen durch Lichtanregung aus dem Material herausgelöst, so dass ihre Spin-Orientierung vermessen werden konnte. Grafik: Philipp Höpfner

Neues Wissen über die Spins von Elektronen in Halbleitermaterialien: In einer aktuellen Publikation beschreiben Physiker der Uni Würzburg erstmals die Spin-Architektur einer ultradünnen Metallschicht auf einem Halbleiter. Das bedeutet einen weiteren Schritt hin zu extrem leistungsfähigen Computern.

Deutlich schnellere Computer wären möglich, wenn sich der Spin der Elektronen bei der Datenverarbeitung als Informationsträger nutzen ließe. Was der Spin ist? Der Spin verleiht dem Elektron über seine Ladung hinaus auch magnetische Eigenschaften. „Das kann man sich so vorstellen, als ob jedes Elektron einen winzig kleinen Elementarmagneten trägt, wie eine Kompassnadel“, sagt der Würzburger Physiker Jörg Schäfer.

Um den Spin für die Elektronik nutzen zu können, also um eine „Spintronik“ zu realisieren, müsste es gelingen, die in einem Halbleiterchip fließenden Elektronen nach ihrem Spin-Zustand zu ordnen, also ihre Spitzen gleich auszurichten. Diese Formation müssten die elementaren Magnetnadeln beibehalten, wenn sie als so genannte Spinströme auf die Reise durch das elektronische Bauteil geschickt werden.

Spin-Trennung klappt ohne Magnetfelder durch einen Trick

Seit langem ist bekannt, dass man die Spins durch Magnetfelder beeinflussen kann. Doch für Bauteilanwendungen wäre das vollkommen unpraktikabel. Daher wenden die Festkörperphysiker einen ausgeklügelten Trick an: Auf einen halbleitenden Festkörper wird eine ultradünne Metallschicht aufgedampft, die nur eine Atomlage dick ist. Darin sortieren sich die Elektronen von ganz allein in zwei Gruppen mit entgegengesetzter Magnetnadelorientierung.

Dieser Effekt fällt umso stärker aus, je schwerer die verwendeten Metallatome sind. „Diese automatische Spin-Trennung wollten wir in einem modellhaften Experiment erzeugen und genauer untersuchen“, erklärt Professor Ralph Claessen. Als besonders schweres Metall wählten die Würzburger Physiker Gold, das sie hauchfein auf ein Halbleiterplättchen aus Germanium aufdampften.

Enges Zusammenspiel von Theorie und Experiment

Die experimentellen Befunde zum Spin-Muster entsprechen sehr genau den Vorhersagen, welche die Würzburger Physik-Theoretiker um Professor Werner Hanke entwickelt haben. „Wir können die Spin-Anordnung im Halbleiter mathematisch modellieren und mit modernsten Rechnern sehr genaue praktische Vorhersagen machen", erläutert Hanke.