Mit Spinwellen Informationen transportieren

Während die Elektronik auf der Ladung der Elektronen beruht, nutzt die Spintronik deren Spin oder magnetisches Moment. Dadurch erweitern sich die Möglichkeiten zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen erheblich. Allerdings muss man dazu elektrische in spinmagnetische Signale umwandeln und umgekehrt. Ludo Cornelissen von der Universität Groningen und seine Kollegen haben erstmals auf elektrischem Weg Spinwellen erzeugt, sie durch einen Isolator laufen lassen und dann mit ihnen elektrische Spannungen hervorgerufen.

Die Forscher stellten dazu besondere spintronische Bauelemente her. Sie bestanden jeweils aus einer 200 Nanometer dicken Schicht des magnetischen Isolators Yttriumeisengranat (YIG), auf der zwei Platinelektroden angebracht waren, die einen Abstand von bis zu 40 Mikrometer hatten. Die Bauelemente wurden in ein Magnetfeld von einigen Mikrotesla gebracht, das etwa hundertmal stärker war als das Erdmagnetfeld. Die Experimente fanden bei Zimmertemperatur statt, während sonst für die Spintronik sehr tiefe Temperaturen nötig sind.

Wurde durch die eine der beiden Platinelektroden ein elektrischer Strom geschickt, so bewegten sich die Leitungselektronen unter der Wirkung des Magnetfeldes je nach Ausrichtung ihres Spins auf unterschiedlichen Bahnen in der Elektrode. Dieser Spin-Hall-Effekt führte dazu, dass sich Elektronen einer Spinrichtung an der Kontaktfläche der Elektrode und der YIG-Schicht sammelten.

Da YIG ein magnetischer Isolator ist, konnten die Elektronen zwar nicht in die YIG-Schicht eindringen, doch die plötzliche Spinansammlung an der Schichtoberfläche brachte die einheitlich ausgerichteten magnetischen Momente in der Schicht durcheinander. Wie ein Stein, der in einen Teich fällt, Wellen auf der Wasseroberfläche hervorruft, so erzeugte die Spinansammlung wellenförmige Störungen in der YIG-Schicht, sogenannte Spinwellen, die sich in der Schicht ausbreiteten.

Die Spinwellen gelangten schließlich zur Kontaktfläche der Schicht und der zweiten Platinelektrode, wo sie die Spins der dort vorhandenen Leitungselektronen ausrichteten. Dadurch trat in der zweiten Elektrode ein Spinstrom auf, der unter der Wirkung des Magnetfeldes einen elektrischen Strom hervorrief. Dies ist der „inverse“ Spin-Hall-Effekt. Durch den kurzzeitig fließenden elektrischen Strom baute sich in der Elektrode eine elektrische Spannung auf, die die Forscher messen konnten.

Da die Spinwellen eine sehr große Frequenz hatten, waren sie quantisiert und es traten einzelne Quanten oder sogenannte Magnonen auf. Bei diesen Quasiteilchen handelt es sich um einen elementaren Anregungszustand einer magnetischen Spinwelle in einem Festkörper. So ließ sich das Experiment auch auf der Ebene der Spins und Magnonen beschreiben. Traf in der ersten Platinelektrode ein Leitungselektron mit ausgerichtetem Spin auf die YIG-Schicht, so drehte es seinen Spin um, wobei in der YIG-Schicht ein Magnon erzeugt wurde. Dieses bewegte sich zur Kontaktfläche mit der zweiten Elektrode, drehte dort den Spin eines Leitungselektrons um und wurde dabei vernichtet.

Die Forscher haben damit bewiesen, dass man bei Zimmertemperatur wellenförmige Spinanregungen elektrisch erzeugen und nachweisen kann. Diese Anregungen, die sich über relativ große Entfernungen transportieren lassen, könnte man magnetisch manipulieren und damit für die Spintronik nutzen.