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Topologische Isolatoren für Spintronik

EU-geförderte Forscher untersuchten die Funktionsweise topologischer Isolatoren, durch die mögliche Spintronikgeräte sowie Quantencomputer deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Geräte werden könnten.
Topologische Isolatoren für Spintronik
Im Gegensatz zu den meisten Materialien, die entweder Isolatoren oder Leiter sind, ist bei topologischen Isolatoren beides der Fall. Im Inneren sind sie Isolatoren, aber über ihre Oberfläche können sie Elektrizität leiten. Da die Elektronen an ihrer Oberfläche äußerst beweglich sind und außerdem ein magnetisches Moment tragen, könnte diese neu aufkommende Materialklasse Spintronikkomponenten ermöglichen. Insbesondere liegt Spintronikkomponenten nicht die Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen zugrunde, wie es bei Halbleiterkomponenten der Fall ist, sondern die Manipulation der Spins dieser Ladungsträger.

Ein EU-gefördertes Physikerteam untersuchte, wie die Spins von Elektronen in topologischen Isolatoren gesteuert werden können. Im Rahmen des Projekts STIFNANO (Spintronics with topological insulator/ferromagnet nanodevices) installierten sie am Katalanischen Institut für Nanowissenschaft und Nanotechnologie (ICN2) in Spanien ein Zweikammersystem für Molekularstrahlepitaxie (MBE).

Von solchen MBE-Systemen für die Entwicklung hochreiner epitaktischer Dünnschichten sind in Europa nur wenige vorhanden. Die Physiker nutzen diese einzigartige Anlage zur Entwicklung topologischer Isolatoren mit klar festgelegter Zusammensetzung und Dicke. Es entstanden auch neue Verfahren für die Entwicklung unterschiedlicher bismutbasierter, topologischer Isolatoren.

Einer der wichtigsten Erfolge von STIFNANO bestand in der vollständigen Unterdrückung von Gitterfehlern in monokristallinen Dünnschichten für topologische Isolatoren. Ausgedehnte Gitterfehler treten in diesen Materialien häufig auf und erschweren die Beobachtung oberflächenbezogener Phänomene.

Außerdem entwickelten die Physiker eine experimentelle Anlage zur Untersuchung von Heterostrukturen aus topologischen Isolatoren und Ferromagneten. Die Erzeugung von Ferromagnetismus, der durch den Austausch von Spin-Ladungen induziert wird, an deren Schnittstelle stellt einen innovativen Ansatz zur Umsetzung von Geräten mit Quantenfunktionalität dar.

Mit dem experimentellen System des STIFNANO-Projekts wurden bereits die ersten ladungsinduzierten ferromagnetischen Resonanzmessungen durchgeführt. Der gemessene erweiterte Grenzflächenmagnetismus könnte sich für die Produktion neuer Spintronik-Geräte, die Berechnungen anhand quantenmechanischer Gesetze durchführen können, als äußerst wichtig erweisen.

Verwandte Informationen

Schlüsselwörter

Topologische Isolatoren, Spintronik, STIFNANO, Ferromagnet, Dünnschichten
Datensatznummer: 190863 / Zuletzt geändert am: 2017-01-16
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