Spintronik: Spin-Ströme in topologischem Isolator

  • Die Randströme eines topologischen Isolators dienen als Quelle für Spin-polarisierte Elektronen. Grafik: Luis MaierDie Randströme eines topologischen Isolators dienen als Quelle für Spin-polarisierte Elektronen. Grafik: Luis Maier
  • Die Randströme eines topologischen Isolators dienen als Quelle für Spin-polarisierte Elektronen. Grafik: Luis Maier
  • Elektronenmikroskopische Aufnahme des Schaltkreises. In Rot das Halbleiter-H, in Gelb die Gate-Kontakte. Das Bild zeigt einen Ausschnitt von etwa drei auf drei Mikrometer. Foto: Luis Maier

Spintronik nutzt die magnetische Ausrichtung von Elektronen zur Informationsübertragung. Würzburger Physiker sorgen auf diesem Gebiet regelmäßig für neue Erkenntnisse: In extrem dünnen topologischen Isolatoren haben sie spin-polarisierte Ströme nachgewiesen, welche die Theorie seit sechs Jahren vorhersagt. Zugleich zeigen sie einen Weg der Anwendung für neuartige Rechner.

Elektronen haben einen inneren Drehimpuls, Spin genannt. Dadurch sind sie nicht nur Ladungen, sondern auch kleine Magnete, die sich ausrichten lassen. Beim alltäglichen Einsatz von Computern sind jedoch so viele Elektronen-Magnete zufällig in alle Richtungen ausgerichtet, dass sie sich am Ende gegenseitig auslöschen. Ließe sich der Spin aber kontrollieren, so könnten konventionelle Rechner auf einen Schlag viel schneller werden: Bei der so genannten Spintronik wird die magnetische Ausrichtung der Elektronen zur Informationsübertragung genutzt, und das erzeugt viel weniger Wärme, als das bisher nötige ständige An- und Ausschalten des Stroms.

Metall und Isolator gleichzeitig: Topologische Isolatoren

Eine viel versprechende Materialklasse für die Realisierung spintronischer Bauelemente sind die topologischen Isolatoren. Sie leiten nur an ihrer Oberfläche Strom, nicht jedoch im Inneren. In dünnen Schichten einiger dieser Materialien besteht der Randstrom aus genau zwei Kanälen, in denen sich einzelne Elektronen bewegen. Die Flussrichtung in den beiden Kanälen ist entgegengesetzt, genau wie die Spin-Ausrichtung. Dieses Verhalten nennt man den Quanten-Spin-Hall-Effekt (QSH), in Anlehnung an den Quanten-Hall-Effekt. Entdeckt wurde der QSH-Effekt 2007 in der Arbeitsgruppe von Professor Laurens Molenkamp an der Universität Würzburg.

Physiker aus dem Lehrstuhl von Laurens Molenkamp und der Arbeitsgruppe von Professorin Ewelina Hankiewicz zeigen jetzt mit Forschern der Stanford University aus Kalifornien, wie sich die Spin-Polarisation der Kanäle experimentell nachweisen lässt.

Gleichzeitig stellen sie ein elektrisches Bauteil vor, das spin-polarisierte Ströme erzeugen und messen kann. Damit besitzt es grundlegende Fähigkeiten, die für die Spintronik nötig sind. Diese Ergebnisse sind in der renommierten Zeitschrift „Nature Physics" veröffentlicht.

Von der Theorie zum Experiment: Mit einem Nano-H zum Erfolg

Bis vor kurzem war die Spin-Polarisation der Kanäle nur mathematisch beschrieben; experimentell konnte nur indirekt auf sie geschlossen werden. Der Quanten-Spin-Hall-Effekt kann aber nur unter der Voraussetzung existieren, dass tatsächlich ein spin-polarisierter Transport vorliegt, sagt Arbeitsgruppenleiter Hartmut Buhmann aus dem Lehrstuhl Molenkamp.

Dem Würzburger Physiker Christoph Brüne gelang der experimentelle Nachweis nun mit einem geschickten Versuchsaufbau. Den Erfolg brachte eine Nanostruktur in Form eines H. Sie besteht aus Quecksilber-Tellurid und besitzt an jedem Arm eine zusätzliche Elektrode aus Gold. Damit ist es möglich, einen Arm der H-Struktur mit einer angelegten Gate-Spannung in den Quanten-Spin-Hall-Zustand zu versetzen. Der andere Arm sorgt an der Verbindungsstelle, dem Querstrich des H, für ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Spin-Strömen. Dadurch können nur Elektronen mit einer magnetischen Ausrichtung extrahiert und gemessen werden. Diese Funktion lässt sich auch umdrehen, sodass man einen spin-polarisierten Strom einspeisen und eine im QSH-Material erzeugte Spannung messen kann.

Herausgeber von „Nature Physics" heben die Arbeit hervor

Die nötige Theorie, um die Messwerte eindeutig als Spin-Ströme zu identifizieren, stammt zusammen mit aufwändigen Simulationen aus der Gruppe von Ewelina Hankiewicz und ihren Kollegen in der Arbeitsgruppe von Professor Shou-Cheng Zhang in Stanford. Es sei nicht einfach zu berechnen gewesen, wie die Spin-Kanten-Ströme in das Metall des zweiten Arms gelangen, sagt die Professorin.

Doch am Ende wurde die Mühe belohnt: Die Herausgeber von „Nature Physics" haben der Würzburger Arbeit sogar einen „News & Views"-Übersichtsartikel gewidmet.

Nächste Forschungsschritte: Konzept erweitern

Der von den Würzburger Physikern vorgestellte Aufbau funktioniert bislang nur bei extrem tiefen Temperaturen, bei minus 271 Grad Celsius. Um ihn auch bei Raumtemperatur nutzen zu können, müssen erst noch geeignete Materialien gefunden werden. Für die Zukunft planen die Würzburger Forscher zunächst, das Konzept zu einem Spin-Transistor zu erweitern und so alle nötigen Zutaten für eine Anwendung in der Spintronik bereitzustellen.

Topologische Isolatoren bergen noch mehr Potenzial: Sie sind für weitere exotische Entdeckungen gut, wie zum Beispiel Majorana-Fermionen - das sind Teilchen, die gleichzeitig ihr Antiteilchen sind. Kein Wunder also, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in diesem Jahr ein neues Schwerpunktprogramm „Topologische Isolatoren" einrichten will.

Originalliteratur:

Brüne C. et al.: Spin polarization of the quantum spin Hall edge states, Nature Physics 8, 486-491 (2012)

Zhou Y. & Zhang F.-C.: Quantum spin Hall effect: Left up right down, Nature Physics 8, 448-449 (2012)

König M. et al.: Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells, Science 318, 766-770 (2007), doi: 10.1126/science.1148047

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