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Elektronik mit Drall

Spin statt Ladung: Magnetfelder schalten Ströme

Von Rainer Scharf

Die Halbleiterelektronik nutzt bislang nur die Ladung von Elektronen, nicht aber deren Spin. Anders als die Ladung ist der Eigendrehimpuls eine quantenmechanische Eigenschaft. In einem Magnetfeld kann der Elektronenspin entweder in Richtung des Feldes oder entgegengesetzt dazu orientiert sein. Das hat neue Möglichkeiten eröffnet, Informationen zu verarbeiten und zu speichern (siehe F.A.Z. vom 10. April 2002). Es bedarf indes noch besserer Verfahren, die Spins in gewünschter Weise zu kontrollieren und zu manipulieren. Jetzt haben zwei Arbeitsgruppen wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der "Spinelektronik " erzielt.

Eine Informationsverarbeitung mit Spins hätte zahlreiche Vorteile. So kann man Spins durch Magnetfelder leichter beeinflussen und steuern, als dies mit elektrischen Feldern möglich ist. Die in den Spins gespeicherte Information ist außerdem wesentlich weniger anfällig gegen Störungen als die Information, die mit elektrischen Ladungen gespeichert ist. Auch ließen sich Daten mit viel größerer Geschwindigkeit verarbeiten. Doch viele Bauelemente der Spinelektronik liegen noch in ferner Zukunft. Niederländische Wissenschaftler von der Universität Groningen haben nun ein "Spinventil" entwickelt.

Wie Bart van Wees und seine Kollegen in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 416, S. 713) berichten, ist es ihnen gelungen, elektrische Ströme dadurch zu steuern, daß sie die Orientierung der Elektronenspins mit einem Magnetfeld beeinflussen. Mit einer ferromagnetischen Elektrode aus Kobalt, die durch ein Magnetfeld magnetisiert war, haben sie zunächst Elektronen erzeugt, deren Spins alle in ein und dieselbe Richtung zeigten. Die Teilchen "tunnelten" dann durch eine nichtleitende Schicht in einen Aluminiumdraht und legten in ihm einen knapp ein tausendstel Millimeter langen Weg zurück. Schließlich erreichten sie eine weitere Kobaltelektrode, die wie die erste durch eine dünne Isolatorschicht vom Draht getrennt und magnetisiert war.

Damit die Elektronen durch die Isolatorschicht tunneln und in die Elektrode dringen konnten, mußten ihre Spins in dieselbe Richtung zeigen wie die Magnetisierung der Elektrode. War das nicht der Fall, floß ein wesentlich geringerer Strom durch den Aluminiumdraht. Den Forschern um van Wees ist es nun gelungen, den Strom dadurch zu erhöhen, daß sie die Elektronen in dem Draht einem weiteren Magnetfeld aussetzten, das die Spins umdrehte. Die Teilchen konnten dadurch von einer Elektrode zur anderen gelangen, auch wenn diese entgegengesetzt zueinander magnetisiert waren.

Trotzdem war es nicht zu verhindern, daß sich durch Zusammenstöße der Elektronen mit den Aluminiumatomen im Draht die Spins gelegentlich umdrehten, was die Leistungsfähigkeit des "Spinschalters" verringerte. In weiterführenden Versuchen will man untersuchen, wie es zu diesen Vorgängen kommt und wie sie sich nach Möglichkeit vermeiden lassen.

Daß man sogar ein einzelnes Molekül zu einem Spinschalter machen kann, haben Wissenschaftler der Bell-Laboratorien in Murray Hill gezeigt. Wie Jan Hendrik Schön und seine Mitarbeiter in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten, brachten sie zwischen zwei ferromagnetische Nickelelektroden eine isolierende Schicht aus organischem Material. In der kaum einen Nanometer dicken Schicht war ein einzelnes elektrisch leitendes Benzoldithiolat-Molekül eingebettet, das die beiden Elektroden miteinander verband. Waren die Nickelelektroden in die gleiche Richtung magnetisiert, konnten die Elektronen ohne Schwierigkeiten über das Molekül von einer Elektrode zur anderen gelangen. Bei entgegengesetzten Magnetisierungen war der Elektronentransport erschwert, und es floß ein deutlich geringerer Strom. Diese Ergebnisse geben Anlaß zur Hoffnung, daß eine Spinelektronik auch mit molekularen Bausteinen möglich ist. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 19.04.2002, Nr. 91 / Seite 46

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