HZDR entdeckt 1_2012

entdeckt 01.12 TITEL WWW.Hzdr.DE // Magnete im Nano-Bereich mit elektrischen Strömen steuern zu können, fasziniert die Physikerin Alina Maria Deac. Sie leitet im Dresdner Helmholtz-Zentrum die international besetzte Nachwuchs- gruppe „Spintronik“. _TEXT . Christine Bohnet Magnetoelektronik – Alles über Nano-Magnete und Elektronen-Spins Das hat sicher schon jeder einmal erlebt. Im Winterchaos oder an Silvester, beim Elbe-Hochwasser oder an anderen Ka- tastrophentagen ist kein Verlass auf die Handy-Kommunikati- on. Die Netze funktionieren nicht mehr, wenn viele Menschen gleichzeitig telefonieren wollen. Die rumänische Physikerin Alina Maria Deac leitet eine Gruppe junger Wissenschaftle- rinnen und Wissenschaftler, die sich genau darum kümmern will. Zugleich geht es ihr aber auch um Bausteine zu neuar- tigen schnurlosen Geräten, die gigantische Datenmengen senden und empfangen können und somit neue, an Science Fiction-Filme erinnernde Anwendungen ermöglichen, wie zum Beispiel 3D-Videokonferenzen. Ihr Schlüssel dazu ist die Magneto- oder Spin-Elektronik, oder, um es mit ihren Worten zu sagen, das ganze „Spin-Transport-Zeugs“. Elektronen transportieren bekanntlich elektrische Ladung und ermöglichen so einen Stromfluss. Aber Elektronen besitzen auch eine quantenmechanische Eigenschaft, Spin genannt. Dieser führt dazu, dass sich das Elektron wie ein winziger Magnet verhält. Ein Spin kann – in Bezug zu einem äußeren magnetischen Feld – in zwei Richtungen weisen, nach oben oder nach unten bzw. gleich- oder gegengerichtet. Bisher wird der Elektronen-Spin kaum genutzt in typischen mikroelektro- nischen Bauelementen, wie sie all unsere Smartphones, Lap- tops und Tablett-Computer enthalten. Experten erwarten je- doch von der relativ jungen Magnetoelektronik, dass sie eine zunehmend wichtige Rolle für die Verarbeitung und Kodierung von Informationen einnehmen wird. Alina Deac interessiert sich vordergründig allerdings nicht für die Entwicklung von Bauelementen, vielmehr geht es ihr um grundlegende Fragen des Zusammenspiels von Magnetismus im Nanometer-Bereich und Spinströmen. Spins in der modernen Speichertechnologie Fließt ein Strom durch ein nicht-magnetisches Metall, so ist dieser nicht spin-polarisiert. Das heißt, die Elektronen-Spins sind zufällig orientiert, denn es gibt keine Vorzugsrichtung. In einem magnetischen Metall dagegen wird der durch den Magneten fließende Strom wegen der Interaktion zwischen dem Magneten und den Spins spin-polarisiert. Das Resul- tat: die meisten Spins richten sich an der Nord-Süd-Achse des Magneten aus. Das machen sich heute schon eine neue Generation von Leseköpfen in Computern und die Technolo- gie des MRAM-Speichers (Magnetoresistive Random-Access Memory) zunutze. Für ein MRAM-Bauteil nehme man zwei magnetische Schich- ten, die durch eine hauchdünne, nur einige Nanometer dicke, nicht-magnetische Isolationsschicht getrennt sind (1 Nano- meter = 1 Millionstel Millimeter). Das Besondere: die Magne- tisierung des ersten Nano-Magneten ist fixiert, während die Magnetisierungsrichtung des zweiten Nano-Magneten frei drehbar bleibt. Nun kann zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierungen – und damit zwischen Zu- ständen unterschiedlichen elektrischen Widerstands – hin und her geschaltet werden. So ist es möglich, in der relativen Ma- gnetisierung der Nano-Magnete Informationen zu speichern. In heutigen MRAM-Speichern – und in der Tat in allen magne- toelektrischen Bauteilen – wird der Spin nur passiv genutzt, nämlich um Informationen auszulesen. Das erschwert eine weitere Miniaturisierung und verhinderte bisher eine Etablie- rung des MRAMs auf dem hart umkämpften Speichermarkt. Die nächste Generation von spinelektronischen Geräten wird den Spin als aktive Komponente einsetzen, der den Magnetismus © pizuttipics - Fotolia.com

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