2013 April

Wie lassen sich Spins kontrolliert transportieren?

Friday, 5th April 2013Ausgewählte Publikationen

In herkömmlichen elektronischen Bauelementen wird ein Bit durch das Fließen oder Nichtfließen von elektrischem Strom kodiert. Auf Festplatten hingegen nutzt man den Elektronenspin (up oder down) zum Speichern der Information. Gegenwärtig unternehmen Physiker große Anstrengungen, diese „magnetischen“ Bits schnell zu schalten und zu transportieren. Forschern des Fritz-Haber-Instituts, der Helmholtz-Zentren Berlin und Jülich und der Universitäten Uppsala und Göttingen ist es nun gelungen, extrem kurze Spinimpulse zu erzeugen und deren Form zu manipulieren. Die dabei verwendeten Nanostrukturen eignen sich auch als Quelle für Terahertz-Strahlung.

Auf Computer-Festplatten wird Information mit Hilfe kleiner Magnete gespeichert, deren Orientierung (Up oder Down) den Wert eines Bits (0 oder 1) darstellt. Erzeugt wird die Magnetisierung dabei vom Spin der Elektronen im Material, d.h. der fortwährenden Drehung der Elektronen um ihre eigene Achse. Um nun Information von der Festplatte zu anderen Komponenten (wie dem Prozessor oder dem RAM) zu transportieren, müssen die „magnetischen“ Bits zunächst in „elektrische“ Bits, also in eine Folge von elektrischen Spannungspulsen umgewandelt werden. Das erfordert einerseits technischen Aufwand und bedeutet andererseits Energieverlust.

Eine bessere Strategie ist es, die magnetischen Bits direkt und ohne Umwandlung zu verarbeiten. Dazu muss man Spinimpulse erzeugen,  manipulieren und übertragen können, und zwar möglichst mit einer Frequenz, die größer ist als die Gigahertz-Rate heutiger Prozessoren. Spinimpulse mit einer Bandbreite von vielen Terahertz und einer Dauer von weniger als einer Pikosekunde lassen sich heutzutage im Labor mit ultrakurzen Laserimpulsen erzeugen (Bild a). Trifft ein solcher Lichtblitz auf einen Ferromagneten, setzen sich die Spin-Up-Elektronen in Bewegung.

Wie kann man nun diese extrem kurzen Spinimpulse manipulieren? In einem ersten Schritt arbeitete das Team von Tobias Kampfrath daran, die Laufzeit und Form der Spinimpulse zu kontrollieren, und bediente sich dazu eines Tricks: Sie bedeckten die ferromagnetische Schicht mit einem zusätzlichen metallischen Film, der entweder einen sehr geringen (Gold) oder einen sehr hohen elektrischen Widerstand (Ruthenium) aufwies. Dringt der Spinimpuls aus dem Ferromagneten in die Metallschicht ein, sollte er im Falle des schlecht leitenden Rutheniums deutlich stärker abgebremst werden als in einem gut leitenden Goldfilm. Um die Spinimpulse sichtbar zu machen, entwickelten die Forscher ein sehr schnelles Strommessgerät, das die von den beschleunigten Elektronen ausgesandte Terahertz-Strahlung nachweist (Bild a). Die so bestimmten Impulse sind in Bild b zu sehen: Tatsächlich ist der Puls für die mit Ruthenium bedeckte Probe viel länger als für die mit Gold bedeckte Probe.

Damit steht nun eine einfache, aber wirkungsvolle Möglichkeit bereit, extrem kurze Spinimpulse zu formen und zu manipulieren. Die benutzte magnetische Nanostruktur (Bild a) lässt sich zudem zur Erzeugung der technologisch immer noch schwer zugänglichen Terahertz-Strahlung nutzen.

Originalveröffentlichung:

T. Kampfrath, M. Battiato, P. Maldonado, G. Eilers, J. Nötzold, S. Mährlein, V. Zbarsky, F. Freimuth, Y. Mokrousov, S. Blügel, M. Wolf, I. Radu, P. M. Oppeneer, M. Münzenberg: Terahertz spin current pulses controlled by magnetic heterostructures, Nature Nanotechnology, doi:10.1038/nnano.2013.43 (2013). http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2013.43.html

Mail to: kampfrath@fhi-berlin.mpg.de

Verzögern und Dehnen von extrem kurzen Spinimpulsen. a Ein Laserimpuls treibt Up-Spins aus ferromagnetischem Eisen in einen dünnen Film aus Gold (Au) oder Ruthenium (Ru). Der dabei entstehende Strompuls führt zur Emission von Terahertz-Strahlung, deren Nachweis die Beobachtung des Spintransportes ermöglicht. b Messergebnisse: Der Spinimpuls im Ruthenium-bedeckten Eisenfilm ist deutlich länger, da Ruthenium ein sehr viel schlechterer elektrischer Leiter als Gold ist.