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entdeckt_02_2014 - Mikroelektronik: Mit Spins in neue Dimensionen vorstoßen

entdeckt 02 .14 TITEL WWW.HZDR.DE // Für Magnetismus kann sich Alina Deac begeistern. Denn hinter diesem altbekannten physikalischen Phänomen versteckt sich nicht nur der klassische Kühlschrankmagnet, sondern ein riesiges technologi- sches Potenzial, das seit mehreren Jahrzehnten immer wieder Türen zu neuen Anwendungen aufstößt. Besonders profitiert dabei die Informations- und Kommunikationstechnik. _TEXT . Uta Bilow MIKROELEKTRONIK: MIT SPINS IN NEUE DIMENSIONEN VORSTOSSEN „Fast alle Formen des Magnetismus gehen auf Elektronen zurück“, erklärt die Forscherin, die am HZDR die Nachwuchs- gruppe Spintronik leitet. Jedes Elektron hat einen Eigendreh- impuls, den sogenannten Spin. Dieser Spin ist ein Phänomen aus der Quantenphysik, das bei geladenen Teilchen wie dem Elektron zu einem magnetischen Moment führt. Dabei kann der Spin des Elektrons zwei Zustände annehmen und beispielsweise nach oben oder unten zeigen. Jedes Elektron ist somit im Grunde genommen ein kleiner Stabmagnet mit Nord- und Südpol. In Ferromagneten wie Eisen, Nickel oder Kobalt richten benachbarte Elektronen ihre Spins gerne parallel aus. Deshalb verhalten sich diese Metalle ‚ferromag- netisch‘ – und haften an der Kühlschranktür. In den 1980er Jahren entdeckten Forscher, dass diese mag- netischen Momente mit elektrischen Strömen wechselwirken, und stießen dabei auf interessante Effekte, etwa den GMR- Effekt (Giant Magnetoresistance), der die Basis für Leseköpfe heutiger Festplatten darstellt. Damals wurde deutlich, dass hinter solchen magnetischen Effekten ein enormes Anwen- dungspotenzial steckt, das seitdem ausgelotet wird – auch am HZDR. Alina Deac: „Wenn man die Prinzipien von Magnetismus und Elektronik kombiniert, gelangt man zur Spinelektronik oder Spintronik. Das ist eine völlig neuartige Elektronik, die viele Vor- teile gegenüber herkömmlicher Halbleiterelektronik aufweist“. Elektronenspins in zwei Zuständen Die gewöhnliche Halbleiterelektronik basiert auf der Ladung des Elektrons. Fließende beziehungsweise nicht-fließende Elektronen können die Werte „0“ und „1“ einstellen. Aber Elektronen haben eine weitere Eigenschaft, die von herkömm- lichen elektronischen Bauelementen nicht genutzt wird: den Spin. Elektronenspins mit ihren zwei möglichen Orientierungen eignen sich ebenfalls zur Darstellung zweier verschiedener Zustände. Wenn in der Halbleiterelektronik auch der Freiheits- grad des Elektronenspins genutzt werden kann, dann ermög- licht dies eine Entwicklung von Bauelementen mit ganz neuen, ungeahnten Möglichkeiten. Denkbar sind leistungsfähigere und zugleich deutlich energieeffizientere Handys und Smart- phones, dreidimensionale Kommunikationssysteme oder auch medizinische Applikationen, etwa Sensoren, die bei gefährde- ten Personen bestimmte Körperfunktionen überwachen. Alina Deac erklärt das Zusammenspiel von fließenden Elektronen und Spins: „Bei einem normalen Strom, der zum Beispiel durch ein Kupferkabel fließt, sind die Spins will- kürlich orientiert. Anders ist das jedoch bei magnetischen Materialien, die selbst geordnete Spins aufweisen. Fließt dort ein Strom hindurch, richten sich die Elektronenspins an der Nord-Süd-Achse des Magneten aus.“ Die Folge: Man erhält einen spin-polarisierten Strom. Und umgekehrt kann man mit einem spin-polarisierten, elektrischen Strom die Magnetisie- rung eines Ferromagneten beeinflussen. „Das ist der Spin- Transfer-Torque-Effekt“, sagt die Physikerin, „der Strom übt ein Drehmoment auf die Magnetisierung aus.“ Dieser Effekt erlaubt daher die gezielte Manipulation der Magnetisierung. Strom sparende MRAM-Speicher Mit ihrer sechsköpfigen Arbeitsgruppe am HZDR erforscht Alina Deac mehrere Anwendungsmöglichkeiten dieses Spin- Transfer-Torque-Effekts. „Wir schauen, ob sich dieser Effekt als Schreibmechanismus für MRAM-Speicher eignet, also für sehr schnelle, permanente magnetische Datenspeicher.“ MRAM-Arbeitsspeicher (MRAM steht für Magnetoresistive Random-Access Memory) werden seit den 1990 Jahren entwickelt. Es handelt sich um magnetische Datenspeicher, MESSUNG: Der magnetische Widerstand verrät dem Physiker Ciarán Fowley, ob alle Elektronenspins in einer Sandwich-Struktur parallel ausgerichtet sind. Foto: Matthias Rietschel

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