Riesige Rashba-Halbleiter zeigen eine unkonventionelle Dynamik mit potenziellen Anwendungen

Germaniumtellurid ist aufgrund seines riesigen Rashba-Effekts ein starker Kandidat für den Einsatz in funktionellen spintronischen Geräten. Nun haben Wissenschaftler des HZB ein weiteres faszinierendes Phänomen in GeTe entdeckt, indem sie die elektronische Reaktion auf thermische Anregung der Proben untersucht haben. Zu ihrer Überraschung verlief die anschließende Relaxation grundlegend anders als bei herkömmlichen Halbmetallen. Durch sorgfältige Kontrolle der feinen Details der zugrunde liegenden elektronischen Struktur konnten neue Funktionalitäten dieser Materialklasse konzipiert werden. Über ihre Ergebnisse haben sie in berichtet Fortgeschrittene Werkstoffe.

In den letzten Jahrzehnten hat die Komplexität und Funktionalität siliziumbasierter Technologien exponentiell zugenommen, entsprechend der ständig wachsenden Nachfrage nach kleineren, leistungsfähigeren Geräten. Das Siliziumzeitalter neigt sich jedoch dem Ende zu. Mit zunehmender Miniaturisierung werden unerwünschte Quanteneffekte und Wärmeverluste zu einem immer größeren Hindernis. Weitere Fortschritte erfordern neue Materialien, die Quanteneffekte nutzen, anstatt sie zu vermeiden. Spintronische Geräte, die Elektronenspins statt ihrer Ladung verwenden, versprechen energieeffizientere Geräte mit deutlich verbesserten Schaltzeiten und völlig neuen Funktionalitäten.

Spintronic-Geräte kommen

Kandidaten für spintronische Bauelemente sind Halbleitermaterialien, bei denen die Spins mit der Orbitalbewegung der Elektronen gekoppelt sind. Dieser sogenannte Rashba-Effekt tritt bei einer Reihe von nichtmagnetischen Halbleitern und halbmetallischen Verbindungen auf und erlaubt unter anderem, die Spins im Material durch ein elektrisches Feld zu manipulieren.

Erste Studie in einem Nicht-Gleichgewichtszustand

Germaniumtellurid beherbergt einen der größten Rashba-Effekte aller Halbleitersysteme. Bisher wurde Germaniumtellurid jedoch nur im thermischen Gleichgewicht untersucht. Nun hat ein Team um den HZB-Physiker Jaime-Sanchez-Barriga erstmals gezielt einen Nichtgleichgewichtszustand in GeTe-Proben an BESSY II angesteuert und im Detail untersucht, wie sich das Gleichgewicht im Material auf ultraschnellen (-12 Sekunden) Zeitskalen. Dabei stießen die Physiker auf ein neues und unerwartetes Phänomen.

Zunächst wurde die Probe mit einem Infrarotpuls angeregt und anschließend mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (tr-ARPES) zeitaufgelöst vermessen. „Erstmals konnten wir alle Phasen der Anregung, Thermalisierung und Entspannung auf ultrakurzen Zeitskalen beobachten und charakterisieren“, sagt Sánchez-Barriga. Wichtigstes Ergebnis: „Die Daten zeigen, dass das thermische Gleichgewicht zwischen dem Elektronensystem und dem Kristallgitter auf höchst unkonventionelle und kontraintuitive Weise wiederhergestellt wird“, erklärt einer der Erstautoren, Oliver Clark.

Gleichgewicht wiederhergestellt: Je kühler, desto schneller

In einfachen metallischen Systemen stellt sich das thermische Gleichgewicht hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen untereinander und zwischen Elektronen und den Gitterschwingungen im Kristall (Phononen) ein. Bei niedrigeren Temperaturen verlangsamt sich dieser Prozess stetig. Bei Germaniumtellurid beobachteten die Forscher jedoch ein gegenteiliges Verhalten: Je niedriger die Gittertemperatur der Probe, desto schneller stellt sich nach der Anregung mit dem Wärmepuls das thermische Gleichgewicht ein. „Das war sehr überraschend“, sagt Sánchez-Barriga.

Mit theoretischen Berechnungen im Rahmen des Boltzmann-Ansatzes, die von Mitarbeitern der Nanyang Technological University durchgeführt wurden, konnten sie die zugrunde liegenden mikroskopischen Prozesse interpretieren und drei verschiedene Thermalisierungsprozesse unterscheiden: Wechselwirkungen zwischen Elektronen innerhalb desselben Bandes, in verschiedenen Bändern und Elektronen mit Phononen .

Es scheint, dass die Wechselwirkung zwischen Elektronen die Dynamik dominiert und mit abnehmender Gittertemperatur viel schneller wird. „Dies lässt sich durch den Einfluss der Rashba-Aufspaltung auf die Stärke der fundamentalen elektronischen Wechselwirkungen erklären. Dieses Verhalten gilt für alle Rashba-Halbleiter“, sagt Sánchez-Barriga: „Die vorliegenden Ergebnisse sind wichtig für zukünftige Anwendungen von Rashba-Halbleitern und deren Anregungen in der ultraschnellen Spintronik.“