Eine glänzende Zukunft für Spintronik

Der Wunsch, kleinere, schnellere und billigere Elektronik zu bauen, hat eine Reihe von Forschern dazu veranlasst, den Spin eines Elektrons in Transistoren zu nutzen. Diese Spintronik-Transistoren könnten sehr energieeffizient sein und mehr Rechenleistung als herkömmliche Transistoren auf kleinerem Raum erbringen. Darüber hinaus könnten in optoelektronischen Anwendungen Laser und Leuchtdioden, die den Spin von Elektronen ausnutzen, die Datenübertragungskapazität von Licht erhöhen.

Eine der Haupthürden in diesem aufstrebenden Gebiet besteht jedoch darin, dass die magnetischen und Halbleitermaterialien, die für die Herstellung einer Spintronikvorrichtung benötigt werden, notorisch inkompatibel sind.

Nun haben Forscher der Ohio University und der Ohio State University ein Magnet-Halbleiter-System entwickelt, das nach ersten Tests ein Fortschritt sein könnte. Arthur Smith , Professor für Physik an der Ohio University, und seine Kollegen haben erfolgreich Mangangallium, ein magnetisches Metall, auf Galliumnitrid gezüchtet, einem üblichen Halbleiter, der zur Herstellung blauer Laser und LEDs sowie zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen verwendet wird.



Die Forscher sagen, dass der Abstand der Atome in den Materialschichten nahezu ideal übereinstimmt, wodurch eine glatte Grenzfläche zwischen den Schichten entsteht und dadurch die Chancen erhöht werden, ein funktionsfähiges Spintronikgerät herzustellen. Ohne eine saubere Schnittstelle, sagt Smith, können Elektronen, wenn sie die Barriere zwischen dem Metall und dem Halbleiter überwinden, ihren ursprünglichen Spin verlieren und das Gerät ruinieren. Darüber hinaus behält ihr neues System seine magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur, sagt Smith. Viele potenzielle spintronische Materialien funktionieren nur bei extrem kalten Temperaturen gut, obwohl jüngste Entwicklungen einige Materialien bei Raumtemperatur hervorgebracht haben (siehe A New Spin on Computing ).

Obwohl weitere Tests erforderlich sind, um zu bestätigen, dass Elektronen ihre Spin-Eigenschaften beibehalten, während sie vom Metall zum Halbleiter wandern, sagt Smith, dass diese frühen Tests ermutigend sind. Wir glauben, dass die Chancen gut stehen, dass es ziemlich gut funktioniert, sagt er.

Elektronische Systeme, die den Spin eines Elektrons nutzen – eine quantenmechanische Eigenschaft, die es in zwei Varianten gibt: nach oben oder nach unten – würden ähnlich wie heutige Transistoren funktionieren, haben aber mehrere Vorteile. Derzeit ist allein elektrischer Strom für die logischen Funktionen in Schaltungen verantwortlich. Der durch einen Transistor fließende Strom stellt eine 1 dar; die Abwesenheit von Strom, eine 0. Wenn der Spin eines Elektrons kontrolliert werden könnte, könnte ein Elektron mit Spin-Up eine 1 darstellen und Spin-Down eine 0.

Im Gegensatz zu elektrischem Strom kann der Spin auch bei ausgeschaltetem Strom aufrechterhalten werden, und eine Spintronikschaltung würde weniger Strom verbrauchen, da nicht ständig Strom zugeführt werden müsste. Aus diesem Grund erforschen Unternehmen wie Freescale Semiconductor spin-basierte Festkörperspeicher (siehe A Better Memory Chip ).

Ein zweiter Vorteil besteht darin, dass die Verwendung von Spin die Informationsspeicherungs- und -übertragungskapazität von Elektronen weiter erhöhen kann, wodurch Mikroprozessoren effektiv schneller laufen.

Smith sagt jedoch, dass elektronische Anwendungen für sein System in weiter Ferne liegen könnten; stattdessen könnte es am besten für optoelektronische Anwendungen wie Laser und LEDs geeignet sein.

Konkret, erklärt er, kann der Spin von Elektronen in einem Halbleiterlaser die von diesen Geräten emittierten Photonen beeinflussen: Ein Elektron mit einem bestimmten Spin kann ein Photon mit einem entsprechenden Spin erzeugen, wodurch polarisiertes Licht entsteht. Polarisation – die allgemeine Ausrichtung von Lichtwellen – könnte genutzt werden, um dem in der Telekommunikation verwendeten Licht eine weitere Datenschicht hinzuzufügen. Derzeit werden Informationen durch Anpassen der Frequenz und Phase des Lichts kodiert; Polarisationskodierung könnte daher die Kapazität optischer Leitungen erhöhen.

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Die neuartigen Materialien der Forscher aus Ohio haben gute Eigenschaften, daher könnte das System ein Kandidat für optische Anwendungen sein, sagt Kannan Krishnan , Professor für Materialwissenschaften an der University of Washington in Seattle. Obwohl die Gruppe keine tatsächlichen Geräte gebaut hat, sagt er, dass es sehr vielversprechend ist.

Chris Palmstrom, Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota, sagt, die Arbeit sei die erste, bei der magnetisches Material auf Galliumnitrid gezüchtet wurde. Dennoch müssten die Forscher beweisen, dass sie etwas damit anfangen können.

Der Nachweis, dass das System in einem realen Gerät funktioniert, ist der nächste Schritt für die Forscher. Smith sagt, dass sie höchstwahrscheinlich seine lichtemittierenden Eigenschaften testen werden, um festzustellen, wie gut sich der Spin der Elektronen im magnetischen Material in polarisiertes Licht übersetzt.

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