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Eine aus wenigen Atomen bestehende Zwischenschicht ermöglicht es, den Transport von Spinströmen von einem Material in ein anderes zu verbessern. Bislang war dieser Prozess mit größeren Verlusten behaftet. Wie sich diese umgehen lassen, zeigt ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), des Max-Planck-Instituts (MPI) für Mikrostrukturphysik und der Freien Universität Berlin in der Fachzeitschrift "ACS Nano Letters". Die Forschenden liefern damit wichtige Erkenntnisse für viele spintronische Anwendungen, zum Beispiel zukünftige, energieeffiziente und ultraschnelle Speichertechnologien.
Egal, ob elektronische Bauteile, Handys oder Speichermedien: In der modernen Mikroelektronik wird die Ladung von Elektronen als Informationsträger genutzt. Für den Ladungstransport ist relativ viel Energie nötig und es entsteht Wärme. Eine energiesparende Alternative hierfür könnte die Spintronik bieten. Die Grundidee ist es, zusätzlich den so genannten Spin für die Informationsverarbeitung zu nutzen. Dabei handelt es sich um den Eigendrehimpuls von Elektronen, der ein magnetisches Moment bewirkt. So wird der Magnetismus erzeugt, der letztlich für die Informationsverarbeitung verwendet werden soll.
In der Spintronik müssen auch Spinströme von einem Material ins nächste übertragen werden. "Oft sind diese Übergänge mit starken Verlusten behaftet", sagt der Physiker Prof. Dr. Georg Woltersdorf von der MLU, der die Studie leitete. Das Team suchte nach einem Weg, diese Verluste abzuschwächen, und nutzte dabei einen Ansatz, der zunächst widersprüchlich klingt: Die Forschenden integrierten an der Grenzfläche zweier Materialien eine isolierende Barriere. "Dazu haben wir den Isolator auf der Ebene einzelner Atome so gestaltet, dass er metallisch wurde und die Spinströme leiten konnte. So lassen sich die Spinströme besser übertragen und die Grenzflächeneigenschaften optimieren", fasst Woltersdorf zusammen. Die Materialproben wurden am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik hergestellt. Durch Messungen des Spintransports an der MLU und der Freien Universität Berlin wurde der überraschende Effekt gefunden. Das Team liefert auch die theoretischen Grundlagen für die neue Entdeckung. Diese lasse sich mit vergleichsweise einfachen Modellen ohne die so genannte Spin-Bahn-Kopplung beschreiben, sagt Woltersdorf.
Die Ergebnisse sind für viele spintronische Anwendungen von Relevanz. Damit könnten zum Beispiel spintronische Terahertz-Emitter verbessert werden. Terahertzstrahlung kommt nicht nur in der Forschung zum Einsatz, sondern auch in der Hochfrequenzelektronik, der Medizin, der Materialprüfung oder der Kommunikationstechnologie.
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Europäischen Union gefördert.
Studie: Wahada M.A. et al. Atomic Scale Control of Spin Current Transmission at Interfaces. ACS NANO Letters (2022). doi: 10.1021/acs.nanolett.1c04358
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04358
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Electrical engineering, Information technology, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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