Mit dem Spin zur effizienten Elektronik

Die Geheimnisse von Spin-Phänomenen für neue elektronische Bauelemente ergründen

Der Spin ist der Eigendrehimpuls des Elektrons, er ist unter anderem für den Magnetismus verantwortlich. Derzeit spielen magnetische Phänomene in großen Bereichen der Informationstechnologie eine bedeutende Rolle. So dienen magnetische Schichten beispielsweise als Datenspeicher. Magnetische Leseköpfe finden sich in den Festplatten handelsüblicher PCs und Laptops. Will man elektronische Bauteile energiesparender bauen, die Datendichte und die Geschwindigkeiten der Datenverarbeitung erhöhen, führt kein Weg an der Nanophysik vorbei.

Für eine besonders effiziente Elektronik möchte man neben der elektrischen Ladung der Elektronen auch ihren Spin als Informationsträger nutzen. Diese neue Art der Informationsverarbeitung wird Spinelektronik oder kurz Spintronik genannt. Unsere Arbeitsgruppe hat sich auf ausgeklügelte spektroskopische Verfahren spezialisiert, mit denen man den Spin von Elektronen untersuchen kann. Wir sind Phänomenen auf der Spur, mit deren Hilfe man die mikroskopischen Eigenschaften des Spins auf makroskopischer Skala ausnutzt. Auf diese Weise eröffnen sich Wege für neue Anwendungen in der Informationsverarbeitung.

Der Spin in hauchfeinen Schichten

Auch in unmagnetischen Materialien kann der Elektronenspin eine wichtige Rolle spielen. Hier stehen derzeit Oberflächenlegierungen im Zentrum des Interesses, bei denen schwere Elemente wie Bismut, Thallium oder Blei in die obersten Atomlagen von Metallen wie Kupfer oder Gold oder auch Halbleitern wie Silizium oder Germanium eingelagert sind. Hier spüren die Elektronen, dass sich auf der einen Seite ein fester Köper, auf der anderen Seite Vakuum befindet. Dies kann zur Folge haben, dass die Ausrichtung des Elektronenspins direkt mit der Richtung des elektrischen Stroms verknüpft ist. Solch eine Eigenschaft verspricht Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Spintronik.

Übergangsmetall-Dichalkogenide haben in den letzten Jahren ein enormes Forschungsinteresse entfacht. Besonders im Fokus der Forschung sind dabei Monolagen von MoS₂, MoSe₂, WS₂ und WSe₂. In diesen Verbindungen kann der Spin mit Licht manipuliert werden. Außerdem haben die Monolagen dieser Verbindungen weitere vielversprechende Eigenschaften für den Einsatz in der modernen optischen Industrie und der Halbleiterindustrie.

Aufwändige Methoden zur Präparation des Elektronenspins

Experimente mit spinausgerichteten Elektronen erlauben den direkten Einblick in die spinabhängigen mikroskopischen Eigenschaften magnetischer und unmagnetischer Systeme. Dabei werden entweder spinausgerichtete Elektronen als Projektil benutzt. Oder man detektiert die Spinrichtung der Elektronen, die mit Hilfe von Licht aus einer Materialprobe emittiert werden. Beide Arten von Experimenten sind sehr aufwändig und werden daher weltweit in nur wenigen Gruppen durchgeführt. Wissenschaftliche Methoden, um die genaue chemische Zusammensetzung der Proben zu erforschen, erweitern die analytischen Möglichkeiten der Arbeitsgruppe. Auch die kristallografische Ordnung und magnetischen Eigenschaften können genau aufgeklärt werden. Bei unseren Forschungen und Experimenten arbeiten wir eng mit anderen Forschergruppen im In- und Ausland, zum Beispiel aus der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Universität im japanischen Hiroshima zusammen. Finanziert werden die umfangreichen Arbeiten unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.