Ultraschnelle Spinstrompulse unter Kontrolle gebracht
Auf dem Weg zur Terahertz-Datenverarbeitung
Ein internationales Forscherteam hat eine Möglichkeit gefunden, extrem kurze und schnelle Pulse aus Spinströmen kontrolliert zu erzeugen. Mithilfe solcher Pulse im Terahertz-Frequenzbereich könnten die Computer von übermorgen Daten schneller und energieeffizienter verarbeiten als heutige Rechner. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ nachzulesen.
Laserpulse führen einem magnetischen Eisenfilm (grün) Energie zu. Dies erzeugt Spinstrompulse in der zweiten, nichtmagnetischen Schicht des Systems (blau), weil Elektronenspins in Abhängigkeit von ihrer Orientierung (orange Pfeile: „Up“, blaue Pfeile: „Down“) unterschiedlich häufig in diese Schicht übertreten.
Forschungszentrum Jülich
Unsere Anforderung an die Rechengeschwindigkeit von Computern steigt stetig, ebenso der weltweite Energieverbrauch durch die Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologien. Einen vielversprechenden Ansatz, langfristig schnellere und energieeffizientere Rechner zu verwirklichen, könnte die Spintronik bieten. Sie sieht elektronische Bauteile vor, bei denen die Eigenrotation (der „Spin“) von Elektronen zusätzlich zu ihrer Ladung zur Informationsverarbeitung genutzt wird.
Dabei ist es erforderlich, Spininformation in kürzester Zeit innerhalb einer Recheneinheit transportieren zu können. Dies geschieht in kleinen Paketen, Pulsen von Strömen mit nur einer Spinsorte. Dazu ist es unter anderem nötig, diese Spinströme mit einer exakt kontrollierten Frequenz und Geschwindigkeit zu erzeugen.
Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Jülich, dem Fritz-Haber-Institut Berlin, der Universität Uppsala, der Georg-August-Universität Göttingen sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin ist dies durch die gezielte Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen Metallen gelungen. Die von ihnen erzeugten Spinstrompulse erreichten extrem schnelle Terahertz-Frequenzen (1 THz = 1012 Hz = 1012 Vorgänge pro Sekunde).
Das internationale Wissenschaftlerteam belichtete ein nur wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus Metallen mit 20 Femtosekunden kurzen Laserpulsen – das entspricht einer 20 Billiardstel Sekunde. Die Lichtblitze führen den Elektronen in einer Eisenschicht Energie zu, wodurch ein Teil der Spins kurzzeitig in die Nachbarschicht aus Gold oder Ruthenium wechselt – ein Spinstrompuls entsteht.
„Die Wahl ist auf Gold und Ruthenium gefallen, weil sich Elektronen in diesen beiden Materialien unterschiedlich gut bewegen können und wir deshalb unterschiedliche Spinstrompulse erwartet haben“, erläutert Dr. Frank Freimuth, Mitglied der „Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe“ am Jülicher Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation. Der theoretische Physiker hat gemeinsam mit seinen Kollegen aus Jülich und Uppsala dazu beigetragen, die experimentellen Messergebnisse quantitativ verständlich zu machen.
Die Messungen basieren darauf, dass sich die Spinstrompulse mithilfe eines komplexen physikalischen Phänomens, des inversen Spin-Hall-Effekts, in herkömmliche elektrische Strompulse umwandeln lassen, die gemessen werden können. Um daraus die Spinstrompulse zu errechnen, nutzten die Forscher unter anderem ein in Jülich entwickeltes Computerprogramm. Die Daten zeigten wie erwartet kürzere Terahertz-Pulse in der Goldschicht, in der die Elektronen eine höhere Beweglichkeit als im Ruthenium haben.
„Unsere Ergebnisse zeigen einen gangbaren Weg auf, um ultraschnelle Bauteile mittels Spintronik zu entwickeln“, freut sich Prof. Yuriy Mokrousov, Leiter der „Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe“. Die Gruppe plant nun, die Materialauswahl weiter zu verfeinern, um aus den Spinstrompulsen noch stärkere Terahertz-Signale zu erzeugen. Außerdem planen die Forscher, die Physik der Spinströme bei ultrahohen Frequenzen weiter zu erforschen mit dem Ziel, den Verlauf der Terahertz-Signale besser einstellen zu können.
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