Neuartige Spin-Transportmechanismen in Metallen
Die Manipulation von Elektronenspins zur Entwicklung kleinerer, aber dennoch effizienter elektronischer Schaltkreise im Vergleich zu den derzeit verfügbaren Schaltkreisen, bildet den Mittelpunkt der Spintronik. „Die Aufrechterhaltung der Spinpolarisation über die gesamte Länge des Elektrogeräts ist entscheidend für dessen erfolgreiche Entwicklung“, sagt Prof. Angel Rubio, der Leiter des EU-finanzierten Projekts SOCISS. Der Schutz der Spindepolarisation, die durch verschiedene Relaxationsmechanismen verursacht wird, ist von herausragender Bedeutung für innovative Geräte der nächsten Generation. Reiner Spinstrom – ohne Ladung In der Spintronik ist einer der wesentlichen Mechanismen, der dafür sorgt, dass der Elektronenspin seine Fähigkeit zur Ausrichtung in eine bestimmte Richtung verliert, die Wechselwirkung mit der orbitalen Bewegung. „Die Inversionssymmetrie, die an der Grenzfläche zwischen Heterostrukturen bricht, erzeugt eine starke Spin-Bahn-Kopplung. Diese starke Wechselwirkung begünstigt die Erzeugung reinen Spinstroms, der aus Elektronen mit umgekehrten Spins besteht, die sich in entgegengesetzter Richtung bewegen. Die ,Up‘- und ,Down‘-Spinrichtungen können zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen in Spintronikgeräten verwendet werden“, hebt Prof. Rubio hervor. Prof. Rubio erklärt jedoch darüber hinaus: „Elektronen können in Regionen mit starker Spin-Bahn-Kopplung ihre Richtung nicht über große Entfernungen aufrechterhalten.“ Zur Umgehung dieses Problems müssen die Forscher Grenzflächenregionen zusammenführen, die immense und schwache Spin-Bahn-Wechselwirkungen zeigen. Zu diesem Zweck ist es daher von zentraler Bedeutung, ein detailliertes Bild von den Geschehnissen an der Grenzfläche zwischen Heterostrukturen zu erhalten. Elektronen tauschen Spins Eine detaillierte Untersuchung der Spin-Bahn-Kopplung an der Grenzfläche zwischen Heterostrukturen führte zu der Entdeckung auffälliger Phänomene, die bislang nicht verzeichnet worden waren. „Wir stellten überrascht fest, dass die Spin-Bahn-Kopplung in Metall-Metall-Verbindungen eine sogenannte Spin-to-Spin-Umwandlung auslöst“, merkt Prof. Rubio an. „Dieser Effekt, der auch als Spin-Swapping bekannt ist, beschreibt, wie Elektronen in der Gegenwart einer Spin-Bahn-Kopplung an der Grenzfläche ihre Spinpolarisation in Richtung des elektrischen Felds wechseln“,erklärt Prof. Rubio weiter. Bedarfsgerechte Steuerung des Magnetismus Eine weitere bemerkenswerte Errungenschaft des Projekts, die vor allem für zukünftige Anwendungen im Elektronikbereich von Interesse ist, ist die Fähigkeit zur Steuerung der Spinpolarisation über elektrischen Strom. „Magnetspeicherelemente, wie zum Beispiel in einem Festplattenlaufwerk, speichern digitale Daten in magnetischer Weise, doch das schnelle und präzise Schreiben von Daten in gleicher Weise gestaltet sich unglaublich schwierig. Die Anwendung von elektrischem Strom zum Ein- und Ausschalten des Magnetismus sorgt für einen schnelleren Schreibvorgang und weitaus mehr Energieeffizienz, alles was dazu erforderlich ist, ist ein einfacher Spannungsimpuls“, hebt Prof. Rubio hervor. Das SOCISS-Team nutzte einen Ballistik-Ansatz zur Berechnung der „Spin-to-Spin“- und „Spin-to-Charge“-Umwandlungsmechanismen, die an der Grenzfläche zwischen Metallverbindungen greifen. Diese Berechnungen vernachlässigen Mängel in der Masse von Heterostrukturen. Wichtige Fortschritte wurden zudem in der Erweiterung der Zaitsevschen Randbedingungen erzielt, welche in Fällen mit vorhandener Spin-Bahn-Kopplung an der Grenzfläche die Proximitätseffekte in Heterostrukturen beschreiben. Die Ergebnisse sollten den Forschern die Erklärung all der verschiedenen Spinumwandlungsmechanismen ermöglichen, die durch die Spin-Bahn-Kopplung an der Grenzfläche ausgelöst werden und ferner deren Abhängigkeit von der Dicke der Verbindungsstelle zeigen. Von der Atom- auf die Mesoskala Eines der wichtigsten Ziele von SOCISS war die Bereitstellung einer mehrskaligen Beschreibung von Spintransportphänomenen, die durch Spin-Bahn-Wechselwirkungen ausgelöst werden. Das neue Modell beschreibt alle Spintransportphänomene in mesoskopischen Maßstäben auf ideale Weise. „Darüber hinaus ermöglicht uns die Verwendung von ,first-principles‘-Verfahren zu bestimmen, wie sich die Materialeigenschaften auf die Spinmechanismen auswirken“, erklärt Prof. Rubio. Die Kombination dieser Methoden ermöglicht eine detaillierte Beschreibung der Spin-Bahn-Kopplung an der Grenzfläche in allen Maßstäben, ohne die Verwendung freier Parameter. Die Projektergebnisse bieten herausragendes neues Potenzial für die Nutzung der Spin-Bahn-Wechselwirkung zur Manipulation von Elektronen in Spintronik-Anwendungen. Während die Forscher ihre Untersuchungen dieses Themas fortsetzen, wurden ihre Erkenntnisse auf verschiedenen Konferenzen, Seminaren und Workshops verbreitet. Forscher beteiligten sich zudem an dem Programm LanAldi, um für ihre Arbeit zu werben und um für einen breiteren Zugang zu den Wissenschaften an weiterführenden Schulen zu sorgen.
Schlüsselbegriffe
SOCISS,Spin-Bahn-Kopplung, Metall, Schnittstelle, Spintronik, Spintransport, Spinstrom, Spin-to-Spin-Umwandlung, Spin-to-Charge-Umwandlung
