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Spintronik: Ultraschnelle Kontrolle von Spinströmen durch Laserlicht

QuantenmechanikAuf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie

Physiker testen mit einem Interferometer, ob die Standard-Quantenmechanik korrekt oder eine komplexere Theorie notwendig ist.

Auf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie der Quantenmechanik testeten Physiker, ob die Quantenmechanik ein noch raffinierteres mathematisches Regelwerk benötigt. 

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SpintronikUltraschnelle Kontrolle von Spinströmen durch Laserlicht

Ein internationales Team mit der Beteiligung Jülicher Wissenschaftler hat einen neuen Effekt entdeckt, mit dem sich Spinströme kontrolliert erzeugen und steuern lassen.

Spinstromfluss

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 Elektronenspin 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.

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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.

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.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Yuriy Mokrousov
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1),
Forschungszentrum Jülich
E-Mail: y.mokrousov@fz-juelich.de

Dr. Frank Freimuth
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Forschungszentrum Jülich
E-Mail: f.freimuth@fz-juelich.de

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