Eine Zwischenschicht aus wenigen Atomen hilft dabei, den Transport von Spinströmen von einem Material zum anderen zu verbessern. Bisher ist dieser Prozess mit erheblichen Verlusten verbunden. Das berichtet ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), des Max-Planck-Instituts (MPI) für Mikrostrukturphysik und der Freien Universität Berlin im Wissenschaftsjournal ACS Nano-Buchstaben wie dies vermieden werden kann. Die Forscher demonstrieren damit wichtige neue Erkenntnisse, die für viele Spintronik-Anwendungen relevant sind, einschließlich energieeffizienter und ultraschneller Speichertechnologien der Zukunft.
In der modernen Mikroelektronik wird die Ladung von Elektronen genutzt, um Informationen in elektronischen Bauteilen, Mobiltelefonen und Speichermedien zu transportieren. Der Ladungstransport benötigt relativ viel Energie und erzeugt Wärme. Spintronik könnte eine energiesparende Alternative bieten. Die Grundidee besteht darin, den Spin in der Informationsverarbeitung zu nutzen. Spin ist der Eigendrehimpuls der Elektronen, der ein magnetisches Moment erzeugt. Dies erzeugt den Magnetismus, der letztendlich zur Verarbeitung von Informationen verwendet wird.
Auch in der Spintronik müssen Spinströme von einem Material zum nächsten übertragen werden. „Der Spintransport über Grenzflächen ist in vielen Fällen ein sehr verlustbehafteter Prozess“, erklärt der Physiker Professor Georg Woltersdorf von der MLU, der die Studie leitete. Das Team suchte nach einer Möglichkeit, diese Verluste zu mindern, indem es einen zunächst widersprüchlich klingenden Ansatz verfolgte: Sie integrierten eine isolierende Barriere zwischen den beiden Materialien.
„Wir haben den Isolator auf atomarer Ebene so ausgelegt, dass er metallisch wird und die Spinströme leiten kann. Dadurch konnten wir den Spintransport deutlich verbessern und die Grenzflächeneigenschaften optimieren“, fasst Woltersdorf den Prozess zusammen. Die Materialproben wurden am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik hergestellt. Der unerwartete Effekt wurde durch Messungen des Spintransports entdeckt, die an der MLU und der Freien Universität Berlin durchgeführt wurden. Das Team liefert auch die theoretische Grundlage für die neue Entdeckung. Dies lässt sich laut Woltersdorf mit relativ einfachen Modellen ohne Spin-Bahn-Kopplung beschreiben.
Die Ergebnisse sind für viele Spintronik-Anwendungen von hoher Relevanz. Sie können beispielsweise zur Verbesserung von spintronischen Terahertz-Emittern eingesetzt werden. Terahertz-Strahlung wird nicht nur in der Forschung, sondern auch in der Hochfrequenzelektronik, Medizin, Materialprüfung und Kommunikationstechnik eingesetzt.
Mohamed Amine Wahada et al., Atomic Scale Control of Spin Current Transmission at Interfaces, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04358
Zur Verfügung gestellt von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg