Spintronik

In der Spintronik zeigen Elektronen, dass sie für weit mehr verwendet werden können als nur für Elektronik, nämlich wenn ihr Spin genutzt wird.

Elektronen tragen eine elektrische Ladung. Wenn sich viele Elektronen bewegen, dann resultiert daraus elektrischer Strom, die Grundlage unserer Elektronik. Aber Elektronen können mehr, als nur ihre elektrische Ladung transportieren, denn sie haben eine weitere Eigenschaft, die von herkömmlichen elektronischen Bauelementen nicht genutzt wird: Elektronen haben einen inneren Drehsinn, den Spin. Der Elektronenspin ist eine quantenmechanische Eigenschaft und lässt sich als eine Drehung um die eigene Achse veranschaulichen. Der Drehsinn kann genau zwei Orientierungen haben: Ein Elektron kann links- oder rechts herum drehen. Dies erzeugt ein magnetisches Moment. In der „klassischen“ Betrachtungsweise sieht man das einzelne Elektron deshalb stark vereinfacht als winziges Magnet an, bei dem entweder der magnetische Nord- oder Südpol „nach oben“ zeigt. Physiker sprechen vom „Spin Up-“ und dem „Spin Down-Zustand“ der Elektronen. Die Elektronenspins in einem Material bestimmen seine magnetischen Eigenschaften und sind durch ein äußeres Magnetfeld gezielt steuerbar.

In der Magnetoelektronik werden elektronische Bauelemente entwickelt, die beide Eigenschaften der Elektronen nutzen, die Ladung und den Spin. Aus der Kombination von Elektronik und Magnetismus versprechen sich die Forscher Bauelemente mit ganz neuen Eigenschaften, wie adressierbare magnetische Datenspeicher, die eingespeiste Informationen auch nach Abschalten des Stroms noch beibehalten (MRAM). Die Nichtflüchtigkeit der magnetisch gespeicherten Information würde beim Starten des heimischen PCs zum Beispiel den lästigen Bootvorgang überflüssig machen.

Die Erfindung des Transistors hat die Elektronik revolutioniert und führte zur Halbleiterelektronik. Heute gibt es kaum noch ein technisches Gerät, das ohne diese Technologie auskommt. In der Spintronik wird ausgenutzt, dass die Orientierung des Elektronenspins in Halbleitermaterialien unter bestimmten Bedingungen erhalten bleibt bzw. kontrolliert gesteuert werden kann. Darum wird hier daran gearbeitet, die magnetische Eigenschaft der Elektronen mit der heute so erfolgreichen Halbleiterelektronik zu kombinieren. Wenn in der Halbleiterelektronik auch der Freiheitsgrad des Elektronenspins genutzt werden kann, dann ermöglicht dies eine Entwicklung von Halbleiterbauelementen mit ganz neuen, bisher unbekannten Eigenschaften.

Die für die Magnetoelektronik und die Spintronik tauglichen Strukturen sind zehn- bis hunderttausend mal kleiner als ein Millimeter. Sowohl die Herstellung als auch die Analyse dieser Strukturen erfordern modernste Methoden aus der Nanotechnologie.