FORUM Forschung 2003/200416

er gewisse Dreh… Spintronik — neue Perspektiven

der InformationstechnikSicherlich haben auch Sie als Kind einen Kreisel betätigt. Durch eine geschickte Drehbe-wegung setzt man dieses Spielzeug in Gang, und je nachdem, wie es angeschubst wird,dreht es sich im oder gegen den Uhrzeigersinn. Was würden Sie auf die Behauptung er-widern, der Drehsinn eines Kreisels könne zur Informationsdarstellung eingesetzt wer-den? Zum Beispiel würde ein Kreisel, der sich im Uhrzeigersinn dreht, eine logische 0verkörpern und einer, der sich gegen den Uhrzeigersinn dreht, eine logische 1. „Unsinn!“sagen Sie, der Kreisel fällt doch irgendwann um, und dann ist die gesamte Informationverloren. Sie haben Recht — und trotzdem: Das hochaktuelle Forschungsgebiet der Spin-tronik hat sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, winzigste, elementare Kreisel als Informations-träger nutzbar zu machen. In der Fachwelt wird sogar bereits spekuliert, inwieweit dieSpintronik die herkömmliche Mikroelektronik ergänzen oder gar ersetzen kann.

D

Wenn Sie Ihren PC einschalten, um im Inter-net zu surfen oder eines Ihrer geliebten Com-puterspiele anzuklicken, f litzen Zehn- oder garHunderttausende von Elektronen im Mikro-prozessor hin- und her, auch wenn nur ein ein-ziges Bit verändert wird. Das Elektron als ele-mentarer Ladungsträger besitzt eine negativeLadung und die herkömmliche Mikroelektro-nik beruht auf dem Transport und der Spei-cherung vieler solcher Ladungen. Nun hat einElektron außer seiner Ladung noch eine weitere,viel faszinierendere Eigenschaft: den so ge-

nannten Spin. Der Begriff des Spins wurde Mitteder Zwanziger Jahre des vorigen Jahrhundertsvon Samuel Goudsmit und George Uhlenbeck

eingeführt und von Paul Dirac wenige Jahrespäter theoretisch untermauert.

Die „spinnen“, die ElektronenSucht man ein anschauliches Bild für diese Ei-genschaft, drängt sich der Kreisel auf. So wieman einem Kreisel einen Drehsinn zuordnenkann, ordnet man dem Elektron einen Spin, soetwas wie eine Drehung um seine eigene Achse,zu (vergleiche Stichwort: Spin). Je nach Drehrich-

tung führt man die Bezeichnungen Spin-auf

und Spin-ab ein. Dass dieses ein-fache Bild dennoch nicht ganzangemessen ist, zeigt folgendeÜberlegung: Ein Elektron ist einpunktförmiges Teilchen, besitztkeine Ausdehnung und kannsich demzufolge auch nicht umseine eigene Achse drehen. Einefundierte und korrekte Beschrei-bung des Spins kann nur imRahmen der Quantenmechanikerfolgen, einer zu Beginn desvorigen Jahrhunderts entwickel-ten Theorie zur Beschreibungdes Mikrokosmos. Trotzdem,viele Eigenschaften des Spinskönnen im klassischen Bild ei-nes winzigen Kreisels zumindestqualitativ veranschaulicht wer-den.

Der Begriff Spintronik ist zu-sammengesetzt aus den Wör-tern Spin und Elektronik. Ge-

meint ist damit eine neue Art von Elektronik,die nicht, wie die herkömmliche Mikroelektro-nik, auf der Verarbeitung und Speicherung von

Abbildung 1: Eingliederung der Spintronik in die Informationsgesellschaft. Blau unterlegte Bereichebasieren auf Metallen, grün unterlegte auf Halbleitern.

Universität Duisburg–Essen

Ladungen, sondern auf Injektion, Transportund Manipulation von Spins beruht. So könn-te zum Beispiel ein Elektron die Information 0oder die Information 1 tragen, je nachdem obein Spin-auf- oder ein Spin-ab-Zustand vorliegt.Ein einfaches Umklappen des Spins, beispiels-weise durch kurze Laserpulse, würde aus einemBit 0 ein Bit 1 (oder umgekehrt) machen, ohnedass überhaupt ein Strom fließt. Dies ist nureine der unzähligen faszinierenden Möglich-keiten in der Spintronik. Visionen wie Schal-tungen mit höheren Geschwindigkeiten bei reduzierter Leistungsaufnahme, nichtflüchtigeSpeicher auf Halbleiterbasis oder gar die Inte-gration von Informationsverarbeitung und Infor-mationsspeicherung auf einem Halbleiter-Chiplassen die Herzen der Ingenieure höher schla-gen. Für Wissenschaftler bietet sich ein enormattraktives Betätigungsfeld. Neue Konzepte müs-sen vorgeschlagen, Werkstoffe ent-wickelt und Bauelemente und Materialien hinsichtlich ihrer Ei-genschaften mit modernsten Metho-den der Mikro- und Nanoanalytikuntersucht werden.

Magnetische HalbleiterAllgemein gilt die Entdeckung desRiesen-Magneto-Widerstands (GMR;Giant Magneto-Resistance) im Jahre1988 als der Beginn einer neuen,spin-basierten Elektronik. In dünnenSchichten, wechselweise aus ferroma-gnetischen und nicht-magnetischenMaterialien zusammengesetzt, hängtder elektrische Widerstand von derrelativen Orientierung der jeweili-gen Magnetisierung ab. Sind diemagnetischen Schichten parallelzueinander magnetisiert, ist der Wi-derstand am geringsten, sollten sieantiparallel magnetisiert sein, beob-achtet man einen hohen elektri-schen Widerstand. Es zeigte sich,dass die Streuung und damit derWiderstand der für den Strom ver-antwortlichen Elektronen von ihrerSpinorientierung abhängt, d. h. vonder Tatsache, ob sich das Elektronim Spin-auf- oder im Spin-ab-Zustandbefindet. Dieses Konzept wurde invielfältiger Weise weiterentwickeltund ist heute zum Beispiel Grund-lage für den Lesekopf einer Festplatte in mo-dernen PCs. Schnell entstand aus einer Ideeein Produkt für den Massenmarkt. NeuartigeBauelemente, wie beispielsweise das MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory) sollen

bereits in Kürze auf dem Markt sein und denVorteil eines herkömmlichen RAM-Speichers,den schnellen Zugriff, mit den Vorteilen einerpermanenten Speicherung verbinden. Das läs-tige und Zeit raubende Booten des PCs könntedann tatsächlich entfallen!

Die oben genannten Bauteile bestehen aus Me-tallen, teilweise in Kombination mit Isolatoren,und werden in neuerer Sprachregelung eher derMagnetoelektronik als der Spintronik zugeord-net. Unter Spintronik im eigentlichen Sinn

Abbildung 2: Transmissions-Elektro-nen-Mikroskop mit Sub-Nanometer-Auf lösung. Der Bildeinsatz zeigt die Aufnahmeeines Halbleiter-Quantenpunkts aus Indium-Gallium-Arsenid.

Der Spin kennzeichnet eine Art „innerenDrehimpuls“ eines Teilchens wie zumBeispiel eines Elektrons, eines Protonsoder eines Quarks. Ein anschauliches,aber nicht ganz korrektes Vergleichsbildist ein Kreisel, der sich um seine Achsedreht. Die Drehbewegung eines Kreiselslässt sich durch einen Eigen-Drehimpulsbeschreiben, der von der Drehfrequenzund der Massenverteilung des Kreiselsabhängt.

Einem Elektron lässt sich ebenfalls einEigen-Drehimpuls, der so genannte Spin,

zuordnen. Der Eigen-Drehimpuls desElektrons kann durch einen Pfeil veran-schaulicht werden (siehe Skizze): DiePfeilrichtung kennzeichnet die Dreh-achse, die Pfeillänge die Größe des Dreh-impulses. Eine Überraschung für unseranschauliches Bild lehrt uns die Quan-tenmechanik: Die Drehachse weist ent-weder nach oben (Spin auf, ↑, blau) odernach unten (Spin ab, ↓, grün), wobei die z-Komponente des Drehimpulses sz = 1/2 h bzw. sz = -1/2 h beträgt (h ≈ 1,0545887 mal 10-34 Js). Die Größedes Eigen-Drehimpulses |s| bleibt im-mer konstant. Ziehen wir nochmals das

Bild eines Kreisels heran: Spin-auf undSpin-ab entsprechen einer Drehung imoder gegen den Uhrzeigersinn; die zeit-liche Konstanz des Drehimpulsbetragswürde bedeuten, dass sich der Kreisel im-mer und ewig weiter dreht und höchstensdie Richtung, nicht aber die Geschwin-digkeit ändert. Eine weitere Besonderheitzeichnet den Spin aus: Auch Überla-gerungszustände mit α•↑ + β•↓ sindmöglich! Würde man eine Messungdurchführen, erhielte man mit einerWahrscheinlichkeit von α2 einen Spin-

auf-Zustand und mit einer Wahrschein-lichkeit von β2 einen Spin-ab-Zustand.Dabei ist der Drehimpuls eines kleinenSpielzeugskreisels ungefähr 1030 mal grö-ßer als derjenige eines Elektrons.

Da das Elektron negative Ladung besitzt,führt der Drehimpuls zu einem magne-tischen Moment, ähnlich wie ein Kreis-strom in einem Elektromagneten einMagnetfeld generiert. Elektronen verhal-ten sich in einem Magnetfeld wie kleineMagnete und richten sich entsprechendaus. Spins können also durch magneti-sche Felder oder magnetische Materialienmanipuliert werden.

Spin

FORUM Forschung 2003/2004

versteht man die Nutzbarmachung des Spin-Freiheitsgrades in Halbleitern. Der Spin einesTeilchens ist immer mit einem magnetischenMoment verknüpft und kann deshalb durchMagnete manipuliert werden. Dies erklärt, wa-rum der langjährige Traum vieler Forscher, dieEigenschaften von Halbleitern mit denen vonFerromagneten zu verbinden, nun neue Nah-rung erhält. Deshalb wird aktuell intensive For-schung an einer neuen Werkstoffklasse, denmagnetischen Halbleitern, betrieben. Bedenktman, dass Halbleiter die Materialgrundlage fürdie gesamte Mikro- und Optoelektronik sind,lässt sich schon erahnen, wie attraktiv es seinkönnte, Informationsverarbeitung, -übertra-gung und -speicherung mit ein und derselbenMaterialklasse, den Halbleitern, realisieren zukönnen (Abb. 1).

Zunächst mussten allerdings ganz neue Heraus-forderungen gemeistert werden. So ist zum Bei-spiel bekannt, dass die Ladung eines Elektronsbeliebig lange erhalten bleibt und man nichtbefürchten muss, dass es plötzlich positiv gela-den und damit die gesamte Information verlo-ren ist. Wie lange aber bleibt der Spin einesElektrons in einem Festkörper erhalten? Undwie kann man Spins in einen Halbleiter injizie-ren, im Halbleiter manipulieren und anschlie-ßend auslesen?

In Fachkreisen haben diesbezüglich einige Ex-perimente in den späten 90er Jahren für Auf-sehen gesorgt. Eine Arbeitsgruppe in Santa Barbara, USA, etwa berichtete, dass in einemGaAs-Kristall, einem Verbindungshalbleiter ausGallium- und Arsen-Atomen, die Elektronen ihren Spinzustand über einen Zeitraum von 0.1 Mikrosekunden (= 0.0000001 sec) und überTransportstrecken von 100 Mikrometern be-

wahren können. Plötzlich war die Spin-Lebens-dauer 100-mal länger als die Dauer typischerSchaltprozesse im Mikroprozessor und es wurdeSpin-Transport über Strecken möglich, die 100-bis 1000-mal größer waren als die Länge einerSteuerelektrode in einem Transistor. Nachdemes dann nur zwei Jahre später sowohl in Würz-burg als auch in Sendai, Japan, gelang, spinpo-larisierte Elektronen über einen elektrischenKontakt in einen Halbleiter zu injizieren, warein weiterer Meilenstein in Richtung Spintronik

getan. Grundlage für diese Experimente war dieVerwendung magnetischer Halbleiter zur Aus-richtung der Spins.

Neue WerkstoffeUm das vielfältige Potenzial der Spintronikauch nur annähernd auszuloten und letztlichnutzbar zu machen, muss die Entwicklung undAnalyse neuartiger Werkstoffe wie beispielswei-se von Halbleiter-Nanostrukturen oder magne-tischen Halbleitern vorangetrieben werden.Hier kommen Nanotechnologie und Nanoana-lytik, Arbeitsschwerpunkte im Bereich Werk-stoffe der Elektrotechnik der Universität Duis-burg-Essen, ins Spiel. Die Verkleinerung vonHalbleiterkristallen auf Größen im Bereich eini-ger Milliardstel Meter (= einige Nanometer)gibt den Wissenschaftlern die Möglichkeit, dieEigenschaften nanoskaliger Materialien quasimaßzuschneidern. Parallel dazu müssen Technikenerarbeitet werden, um solche Winzlinge über-haupt untersuchen zu können und deren Ei-genschaften mit Blick auf potenzielle Anwen-dungen in der Spintronik zu studieren. Kristallemit einer Ausdehnung von ein paar Nanome-tern kann schließlich das menschliche Augeselbst unter Zuhilfenahme der besten optischenMikroskope nicht mehr erkennen.

An einem charakteristischen Beispiel aus derSpin-Optoelektronik soll gezeigt werden, wieNanostruktur-Präparation und Nanostruktur-Analyse heutzutage miteinander verzahnt sind.Bettet man einen winzigen Halbleiter-Kristall(zum Beispiel aus Indium-Arsenid oder Cadmi-um-Selenid) vollständig in einen Halbleiter mitgrößerer Bandlücke wie zum Beispiel Gallium-Arsenid oder Zink-Selenid ein, erhält man sogenannte Quantenpunkte. Diese Zwerge (griech:nanos) besitzen eine Ausdehnung von nur we-nigen Nanometern, so dass man schon ein hochauflösendes Elektronen-Mikroskop braucht, umdiese Gebilde überhaupt sichtbar zu machen(Abb. 2).

Elektronen sind in Quantenpunkten in allendrei Raumrichtungen eingesperrt. Damit unter-

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Abbildung 3: Prinzip der Informationskonversion zwischen der Polarisation desLichtes und dem Spin von Elektronen bzw. Löchern.

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Der Autor Professor Dr.-Ing. F. A. Sturm (*1938) beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit den Fragen der Betriebsführung,der Anlagendiagnostik und der Instandhaltung von Produktionsanlagen. Seine Tätigkeit spannt sich vom praktischenBetrieb von Kraftwerken über Lehre und Forschung an Hochschulen und Universitäten bis hin zur Konzipierung undEinführung von Betriebsmanagementsystemen in der energiewirtschaftlichen Praxis. International bekannt ist erdurch seine Arbeiten und Innovationen zur Strategie der Instandhaltung.

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scheidet sich ein Quantenpunkt in ganz funda-mentaler Weise von einem herkömmlichen Kris-tall, in dem ganze Heerscharen von Elektronenmehr oder weniger ungehindert hin- und her-f litzen können. Für den Spinzustand eines Elek-trons hat das Einsperren eine ganz entscheiden-de Konsequenz: Man erwartet, dass der Spin ineinem Quantenpunkt extrem stabil und un-empfindlich gegenüber Störungen ist, also quasinicht umklappt. Damit sind diese nanoskaligenWerkstoffe prädestiniert für Anwendungen in derSpintronik und der Spin-Optoelektronik.

Ein von der Arbeitsgruppe um Gerd Bacherdurchgeführtes Experiment bestätigt diese hoff-nungsvollen Erwartungen. Dabei wird auf ei-nen experimentellen Trick zurückgegriffen. DasLicht eines kurzen Laserpulses (Pulsdauer0.000000000001 Sekunden) wird durch einenFilter polarisiert und anschließend auf dieQuantenpunkte gelenkt (Abb. 3). Pro Quanten-punkt wird ein negativ geladenes Elektron auseinem besetzten Zustand in einen energetischhöheren, freien Zustand angehobenund hinterlässt ein positiv geladenesLoch. Entscheidend ist nun, dass diePolarisation des Lasers festlegt, inwelchem Spinzustand das Elektron(und das Loch) generiert wird (ver-gleiche Stichwort: Polarisation). Die Information Polarisation des Laser-

pulses wird in ganz direkter Weise ineine Information Spinzustand des

Elektrons umgewandelt. Rechts zirkularpolarisiertes Licht kann beispielsweiseein Spin-ab-Elektron, links zirkularpolarisiertes Licht ein Spin-auf-Elek-tron erzeugen. Nach einer gewissenZeit „fällt“ das Elektron in das Lochzurück und gibt hierbei die aus demLaserstrahl aufgenommene Energiedurch Emission von Licht wieder ab.Ist die Spin-Lebensdauer deutlich län-ger als die Verweilzeit des Elektronsim angeregten Zustand, beobachtetman polarisiertes Licht, ansonsten ist die Emission unpolarisiert. DurchMessung der Polarisation des emittierten Lichtesals Funktion der Zeit kann man feststellen, ob und wie schnell die Spininformation ver-loren geht — anschaulich gesprochen also wie lange es dauert, bis unser winziger Kreisel„umkippt“.

Erstaunlicherweise konnte bei diesem Experi-ment keine messbare Änderung der Polarisationmit der Zeit festgestellt werden, d. h. der Spin-zustand in einem Quantenpunkt ist extrem sta-bil. Nach aktuellem theoretischen Stand soll-

ten sich in einem Quantenpunkt Spin-Lebens-dauern bis in den Mikro- oder gar Millisekun-denbereich realisieren lassen. Das klingt immernoch sehr kurz, aber wenn man bedenkt, dassmoderne PCs in einer Millisekunde mehr als eine Million Rechenoperationen durchführen,mag man schon erahnen, welches PotenzialQuantenpunkte in der Spintronik und Spin-Optoelektronik besitzen.

An dieser Stelle sei kurz auf eine faszinierendeMöglichkeit der Spin-Optoelektronik hingewie-sen. Aktuell wird die Infomationsübertragungüber Glasfasern durch Intensitätsmodulation ei-nes Laserstrahls realisiert. Diese Intensitätsmodu-lation muss im Empfangsmodul wieder mühevollin ein elektrisches Signal zur Darstellung der Bit-Information umgewandelt werden. Die Informa-tionscodierung durch den Spin eines Elektronseinerseits und durch die Polarisation eines Licht-pulses andererseits bietet eine ganz unmittelbareund direkte Verknüpfung von Informationsver-arbeitung, –speicherung und –übertragung.

Ein Elektron genügtWer sagt denn eigentlich, dass man Abertausendevon Spins einsetzen muss, um eine Informationdarzustellen? Im Prinzip müsste es doch genü-gen, einem einzelnen Elektron die Information

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Licht ist elektromagnetische Strahlung. ImVakuum ist die Richtung des elektrischenFeldes senkrecht zur Ausbreitungsrichtungdes Lichtes, das magnetische Feld steht eben-falls senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtungund senkrecht zum elektrischen Feld. DiePolarisation des Lichtes gibt an, in welcherRichtung das elektrische Feld schwingt. Manspricht von linear polarisiertem Licht, wenndie Schwingungsrichtung des elektrischenFeldes immer in derselben Ebene liegt. Beizirkular polarisiertem Licht ändert sich hin-gegen die Schwingungsebene des elektri-schen Feldes schraubenförmig.

Trifft polarisiertes Licht auf einen Quan-tenpunkt, werden Elektronen aus besetztenZuständen in freie Zustände angehoben

und hinterlassen so genannte Löcher. Ent-scheidend für die Spin-Optoelektronik ist,dass die Polarisationsinformation bei die-sem Prozess direkt in eine Spininformationvon Elektron und Loch umgewandelt wird.Analoges gilt beim umgekehrten Prozess,der Wiedervereinigung von spinpolarisier-ten Elektronen und Löchern unter Aussen-dung von polarisiertem Licht. Grundlagehierfür sind die Auswahlregeln, mit ande-ren Worten die Drehimpulserhaltung. Dasfolgende Schema fasst dies am Beispiel ei-nes Indium-Arsenid- bzw. eines Cadmium-Selenid-Quantenpunktes bei Anregung imGrundzustand zusammen. Hervorzuhebenist, dass durch geeignete Wahl der Polarisa-tion auch Überlagerungen von Spinzustän-den generiert werden können.

Polarisation

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0 oder 1, d. h. Spin-auf oder Spin-ab mit auf denWeg zu geben. Geht denn so etwas? Man muss dazu zunächst einen einzigen, winzigkleinen Quantenpunkt adressieren können, dennnur in einer solchen gerade einmal wenige Nano-meter großen Struktur kann man die Anzahl derElektronen exakt einstellen. Dies geschieht bei-

spielsweise dadurch, dass man mit Hilfe der Nanotechnologie eine Metallmaske mit einer nurca. 100 nm großen Öffnung (Nano-

apertur) auf die Halbleiterstrukturaufbringt. Licht kann nur durchdiese Öffnung in den Halbleitereindringen und somit einen ein-zelnen Quantenpunkt ansteuern,es wird aber auch nur die Infor-mation, die dieser eine Quanten-punkt in Form von Licht wiederabgibt, im Detektor aufgefangen(Abb. 4). Man erhält so mit eineroptischen Methode Informatio-nen über ein 10 nm kleines Ob-jekt!

Wie kann man nun gezielt spin-polarisierte Elektronen in einen ein-zelnen Quantenpunkt injizieren?Der Schlüssel hierfür liegt darin,durch geeignetes Schichtwachstumim Ultrahochvakuum Hetero-strukturen aus magnetischen Halb-leitern und Halbleiter-Quanten-

punkten zu präparieren und anschließendexakt einen einzelnen Quantenpunkt mit dererwähnten Technik herauszupicken. Das Prinzipder Spininjektion ist dabei sehr einfach (Abb. 5):Durch die Magnetisierung im magnetischenHalbleiter werden die Spins der Elektronenausgerichtet und gelangen anschließend in denQuantenpunkt. Bleibt die Spininformationwährend des gesamten Transports erhalten,emittiert der Quantenpunkt polarisiertes Licht,wenn das Elektron sich wieder mit dem Loch

vereinigt. Polarisiertes Lichtdient also als Nachweisfür eine erfolgreiche Spin-injektion in einen einzel-nen Quantenpunkt! Erstkürzlich konnte mit ei-nem rein optischen Expe-riment nachgewiesen wer-den, dass dieses Prinzip in der Tat funktioniert. Es gibt bereits Konzepte,wie man die Polarisationsolcher Lichtquellen um-schalten und sogar modu-lieren könnte.

Ein sehr interessanter Aspekt soll hier noch er-wähnt werden: Durch die Verwendung eineseinzelnen Quantenpunkts als Lichtquelle wirdeine Abfolge einzelner Photonen (=Lichtteilchen)generiert. Dies steht im Gegensatz zu allen her-kömmlichen Lichtquellen, die Tausende undAbertausende von Photonen gleichzeitig emit-tieren. Solche Einzel-Photonenquellen könntenSchlüsselbauelemente für eine inhärent sichereDatenübertragung darstellen, wobei wiederumdie Polarisation zur Informationsdarstellungeingesetzt werden könnte.

Letzte HürdenFür praktische Anwendungen sind noch zweiHerausforderungen zu meistern. Zum einensoll die Anregung wie bei einer Leuchtdiodeelektrisch erfolgen, d. h. es müssen Kontakte zurStrominjektion angebracht werden (Abb. 4). Zumanderen erfordert der Betrieb des beschriebenenBauelementes das Anlegen eines externen Mag-netfeldes. Doch wer will schon seinen PC in ei-nem starken Magnetfeld betreiben?

Vielfältige Ansätze werden aktuell verfolgt, umdiese Herausforderung zu meistern. Beim direk-ten Aufbringen von ferromagnetischen Metallenauf einen Halbleiter hat sich gezeigt, dass dieunterschiedliche Leitfähigkeit von Metallen undHalbleitern eine effiziente Spininjektion verhin-dert oder zumindest erschwert. Dieses Problemkönnte umgangen werden, indem direkt ferro-magnetische Halbleiter als Spininjektoren ein-gesetzt werden. In der Tat ist hier in den letztenJahren eine rasante Entwicklung zu verzeichnen,und Halbleiter, die selbst bei Raumtemperaturferromagnetisch sind, könnten bald Realitätwerden. Nach aktuellem Stand der Forschungist es allerdings schwierig, Dotierung und mag-netische Eigenschaften zumindest in GaAs-basierten magnetischen Halbleitern unabhän-gig voneinander zu kontrollieren, d. h. einigeder wesentlichen Vorteile der Halbleiter scheinen

Abbildung 4: Prinzip der optischen undelektrischen Ansteuerung eines einzelnen Quantenpunkts.

Abbildung 5: Funktionsweise einer Spin-Leuchtdiode als Einzel–Photonenquelle für polarisiertes Licht.

Universität Duisburg–Essen

verloren zu gehen. Nach alternativen Materialienwird zur Zeit sehr intensiv gesucht.

Am Lehrstuhl Werkstoffe der Elektrotechnikder Universität Duisburg-Essen wird gemeinsammit Wissenschaftlern der Humboldt Universi-tät zu Berlin ein anderer Ansatz verfolgt: (para-)magnetische Halbleiter mit einstellbarer Dotie-rung werden mit nanostrukturierten metalli-schen Ferromagneten zu Hybriden kombiniert(Abb. 6). Das Streufeld der Ferromagneten be-wirkt dabei eine Magnetisierung im Halbleiter.Diese wiederum richtet die Spins der Elektro-nen und der Löcher aus und sollte dadurch ei-ne sehr effektive Spininjektion ohne externesMagnetfeld ermöglichen. Wenn man seinerPhantasie freien Lauf lässt, bietet sich dem Wis-senschaftler hier eine faszinierende Spielwiese.Man könnte Spins lokal auf einer Mikro- odergar Nanometerskala injizieren, die Spinvertei-lung im Halbleiter auf kleinstem Raume steuernund durch Ummagnetisierung des Ferromagne-ten sogar zeitlich modulieren oder gar Spin-Na-nostrukturen herstellen.

ZukunftsmusikDie skizzierten Konzepte repräsentieren nur ei-nen kleinen Ausschnitt aus dem vielfältigen For-schungsgebiet der Spintronik. Spin-Transistor,Spin-Leuchtdiode, Spin-Filter, nichtf lüchtigeSpeicherelemente — das sind nur einige derspinbasierten Bauelemente auf Halbleiterbasis,die vorgeschlagen und zum Teil sogar schonrealisiert wurden. Gemeinsam haben sie alle, dassInformation über den Spinzustand eines Elek-trons dargestellt und entsprechend verarbeitetund übertragen wird.

Die weitaus meisten Bauelement-Konzepte ba-sieren derzeit auf der gleichzeitigen Verwen-dung sehr vieler Spins. Immer stärker werdenaber auch Anwendungen diskutiert, die auf derKontrolle und Manipulation einzelner Spinsbasieren — und insbesondere für solche Anwen-dungen sind die langen Spin-Lebensdauern inQuantenpunkten von immenser Bedeutung.Die oben erwähnte polarisierte Einzel-Photon-quelle ist nur ein prominentes Beispiel. Die Ver-wendung einzelner Elektronenspins in einemQuantenpunkt könnte gar zu einem völlig neu-artigen Konzept in der Informationsverarbei-tung führen: dem Quanten-Computer, der in be-stimmten Bereichen wie zum Beispiel bei derPrimfaktorzerlegung oder der Sortierung vonDatenbanken einem herkömmlichen Compu-ter weit überlegen sein würde. Ein Bit wird hierals Quanten-Bit (Q-Bit) bezeichnet und bei-spielsweise durch den Spin eines Elektrons dar-

gestellt. Während im klassischen Computer einBit entweder auf 0 oder auf 1 gesetzt ist, kannsich ein Q-Bit auch in einem Zustand der Su-perposition eines Zustands 0 und eines Zu-stands 1 befinden. Unser klassisches Weltbildversagt hier völlig, denn — um das Anfangsbildwieder aufzugreifen — ein Kreisel dreht sichnun einmal nicht gleichzeitig ein wenig imUhrzeigersinn und ein wenig gegen den Uhrzei-gersinn.

Zum Schluss soll ein Zitat von Stuart A. Wolf,dem Koordinator des DARPA- (Defense Ad-vanced Research Projects Agency-) Forschungs-programms SPINS in den USA erwähnt werden:„Um die hohe Innovations-Geschwindigkeit fortzu-

setzen, sind beträchtliche Fortschritte in unserem Grund-

verständnis des Spin-Verhaltens in einem Festkörper

verbunden mit Weiterentwicklungen in der Material-

wissenschaft, Lithographie, Miniaturisierung (…) und

Bauelement-Herstellung erforderlich.“ Eine ganzkleine Strecke dieses Wegs ist bereits zurückge-legt, der weitaus größere Teil steht noch bevor.Wir wissen nicht, welches Spintronik-Bauele-ment als erstes in einer der vielfältigen elektro-nischen Spielereien des 21. Jahrhunderts enthal-ten sein wird. Wir werden sicherlich auch nochmannigfaltige Überraschungen auf unseremWeg dorthin erleben und möglicherweise findensich kommerzielle Erfolge in einem Bereich, in dem wir es gar nicht erwartet hätten. Eineswissen wir aber jetzt schon: Wir werden sehrviel Spaß an diesem noch jungen Forschungs-gebiet haben.

Abbildung 6: Winzige Ferromagnete auf einemmagnetischen Halbleiter.(Herstellung und Aufnahme: Technische

Physik, Universität Würzburg)

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Ko n t a k tProf. Dr. Gerd Bacher

Institut für Technologien der Informationstechnik

Werkstoffe der Elektrotechnik

Tel. 02 03/3 79-34 06Fax 02 03/3 79-34 04

g.bacher@uni-duisburg.dehttp://www.uni-duisburg.de/FB9/WET