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Jülich (fz) – Ein internationales Team mit der Beteiligung Jülicher Wissenschaftler hat einen neuen
Effekt entdeckt, mit dem sich Spinströme kontrolliert erzeugen und steuern lassen. Damit haben die Forscher
einen weiteren Baustein für sogenannte spintronische Geräte realisiert, die in Computern von übermorgen
Datenübertragung in bislang unerreichter Schnelligkeit möglich machen sollen.
Der Elektronen-Spin ist eine quantenmechanische Größe, die eine Art Drehbewegung der Elektronen mit
einem entsprechenden Drehimpuls beschreibt. Der Spin kann zwei Orientierungen zu einer vorgegebenen Achse einnehmen
– oben oder unten. Sind die Spins nicht in eine zufällige Richtung orientiert, sondern zeigen alle in die
gleiche Richtung, fließt zusammen mit dem elektrischen Strom ein Spinstrom, wenn Elektronen in Bewegung sind.
Während elektrische Ströme in alltäglicher Elektronik genutzt werden, bilden Spinströme die
Basis für Spintronik. In einem solchen System ermöglichen sie eine schnelle Übertragung, Bearbeitung
und Speicherung von Daten. Durch die Spintronik könnten in Zukunft Quantencomputer Wirklichkeit werden, die
die leistungsstärksten Supercomputer von heute bei Weitem übertreffen. Anders als elektrischer Strom
kann ein Spinstrom "versiegen", weil sich die Spins mit der Zeit wieder zufällig anordnen. Die kontrollierte
Erzeugung und Erhaltung von Spinströmen ist daher essentiell für die spintronische Technik und eröffnet
interessante Möglichkeiten für die magnetische Speichertechnik.
Spinstrompulse in Terahertz-Frequenzen
Zur Erzeugung der Spinströme nutzen die Wissenschaftler die Spin-Bahn-Wechselwirkung – die Interaktion vom
Spin der Elektronen und deren Bewegung. Dazu entwickelten sie ein wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus magnetischen
und nichtmagnetischen Metallen, die jeweils unterschiedlich starke Spin-Bahn-Wechselwirkung aufwiesen. Angeregt
durch einen ultrakurzen Laserpuls – 20 Billiardstel Sekunden –, entstehen in dem Schichtsystem Spinstrompulse in
extrem schnellen Terahertz-Frequenzen (Tausend Milliarden Vorgänge pro Sekunde).
"Das Besondere an der neuen Studie ist die Art des verwendeten Laserlichts", erläutert Yuriy Mokrousov,
Leiter der Forschungsgruppe "Topological Nanoelectronics" am Jülicher Peter Grünberg Institut/Institute
for Advanced Simulation. "Die experimentellen Partner haben zirkular polarisierte Laserpulse verwendet, bei
denen die Lichtwellen des Lasers um die Achse der Ausbreitungsrichtung schwingen – etwa wie beim Gewinde einer
Schraube", erklärt Frank Freimuth vom Peter Grünberg Institut. "Wir haben theoretische Modelle
entwickelt, die eine Beziehung zwischen der relativistischen Kopplung der Magnetisierungdynamik mit elektrischen
Strömen beschreiben. Auf dieser Basis konnten wir zeigen, dass sich dieses Licht wie ein Magnetfeld auf die
Elektronenspins auswirkt und diese ausrichtet."
Kontrollierte Erzeugung von Spinströmen
Es ist bekannt, dass zirkular polarisiertes Licht in Halbleitern mit einer starken Spin-Bahn-Wechselwirkung einen
Stromfluss anregen kann. Jetzt konnten die Forscher zum ersten Mal solche lichtinduzierten Effekte in für
spintronische Bauelemente verwendeten Metallen beobachten, und erstmalig auf einer so extrem kurzen Zeitskala.
"Damit ermöglicht das zirkular polarisierte Licht eine kontrollierte Erzeugung von Spinströmen in
dem Schichtsystem", erklärt Freimuth. Die Richtung dieses Stroms kann damit allein durch die Drehrichtung
der Schwingungen des Laserpulses, die Magnetisierung der Metalle, und die Anordnung der Schichten bestimmt werden.
Die kontaktlose, rein optische Steuerung von Spinströmen könnte in Zukunft spintronische Bauteile ermöglichen,
die im ultraschnellen Terahertz-Bereich arbeiten.
In den zirkular polarisierten Laserpulsen schwingen die Lichtwellen des Lasers mit konstanter Winkelgeschwindigkeit
um die Achse der Ausbreitungsrichtung. In den zirkular polarisierten Laserpulsen schwingen die Lichtwellen des
Lasers mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Achse der Ausbreitungsrichtung. Diese wirken wie ein Magnetfeld
auf die Elektronenspins und richten sie aus - ein Spinstromfluss entsteht.
Copyright: Radboud-Universität Nijmegen
Originalveröffentlichung
Femtosecond control of electric currents in metallic ferromagnetic heterostructures,
T.J. Huisman et al.; Nature Nanotechnology. Published online 08 February 2016, DOI:10.1038/NNANO.2015.331
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