"Ballistische Spinresonanz" liefert innovativen Ansatz zur Auslösung des Eigendrehimpulses
Deutsche und kanadische Forscher haben ein neuartiges Verfahren namens ballistische Spinresonanz entwickelt, über welches der Eigendrehimpuls unpaariger Elektronen ausgelöst wird, ohne dass dazu oszillierende Felder zum Einsatz kommen, welche sich auf Mikrochips nur schwer erzeugen lassen. Die im Fachmagazin Nature veröffentlichte innovative Methode stellt einen zukunftsweisenden Schritt bei der Kontrolle des Eigendrehimpulses innerhalb von Halbleitern dar und wirkt sich zudem auch auf die Quanteninformatik aus. Seit etwa 70 Jahren untersuchen Wissenschaftler die Formen des Eigendrehimpulses von Elektronen. Die Elektronenspinresonanz beschreibt das Auslösen des Eigendrehimpulses unpaariger Elektronen (auch Radikale genannt). Die Einleitung der Elektronenspinresonanz mittels Hochfrequenz-Magnetfeldern ermöglicht Untersuchungen der Quantenmechanik. Dies ist überaus nützlich, da das Magnetfeld genutzt werden kann, um Übergänge zwischen den einzelnen Spinzuständen unpaariger Elektronen zu steuern. Der Eigendrehimpuls kann jedoch auch über Hochfrequenz-Elektrofelder innerhalb bestimmter Materialien ausgelöst werden; die Oszillation der Elektronen selbst erzeugt ein Magnetfeld, welches auf den Eigendrehimpuls der Elektronen einwirken kann. Im Rahmen früherer Studien konnten externe Elektrofelder erfolgreich zur Auslösung des Eigendrehimpulses innerhalb zahlreicher Materialien genutzt werden, darunter auch zweidimensionale Gase aus Elektronen und "Quantenpunkten". Das Problem besteht jedoch darin, dass sich oszillierende Felder derzeit nur schwer auf einem Chip erzeugen lassen. Bei der neuesten Studie verfolgten Dr. Sergey Frolov von der University of British Columbia in Kanada und seine Kollegen in Deutschland einen einzigartigen Ansatz zur Lösung dieses Problems. Dabei hoffte man, Eigendrehimpulse auch ohne ein oszillierendes Feld steuern zu können. Anhand ihrer Methode konnten sie diesen Effekt erfolgreich über ein statisches Feld erzielen, was für elektronische Anwendungszwecke überaus erstrebenswert ist. Folgeexperimente bestätigten die Robustheit ihres Verfahrens. Bei der neuen "ballistischen Spinresonanz" wird ein Vor- und Zurückspringen der Elektronen innerhalb der winzigen Kanäle eines zweidimensionalen Halbleiters ausgelöst. Erreicht wird diese Spinresonanz durch Anwendung eines Magnetfeldes, welches sich als Nebenprodukt der Interaktion zwischen dem Eigendrehimpuls der Elektronen und dessen Umlaufbahn aufbaut. Das wiederholte Abprallen der Elektronen von den Kanalwänden sorgt praktisch für die Oszillation des Magnetfeldes. Die Frequenz dieser Oszillation erweist sich für Anwendungen im Bereich der Spinresonanz als überaus nützlich. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sich der Eigendrehimpuls der Elektronen zwar auslösen lässt, jedoch bisher nur auf willkürliche Art und Weise, d. h. der Eigendrehimpuls lässt sich nicht in eine bestimmte Richtung lenken. Eventuell liegt dies daran, dass von den Elektronen verursachte Verunreinigungen an den Kanalwänden haften und für einen unebenen Prellpfad sorgen - folglich prallen die Elektronen in unterschiedlichen Winkeln von den Wänden ab. In zukünftigen Studien werden deshalb glatte und reinere Materialien sowie Verfahren zur Elektronenfokussierung zum Einsatz kommen, wodurch die Forscher Prellwinkel und -frequenz besser ermitteln können. Im Rahmen eines begleitenden Kommentars bemerkte Dr. Lieven Vandersypen von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden: "Zukünftig wäre die Anwendung des Verfahrens zur Auslösung des Eigendrehimpulses, wie es der Autor beschreibt, für Festkörperschaltkreise denkbar, bei denen über den Spinzustand der Elektronen Informationen verschlüsselt werden. Dies ist die Vision der Spintronik, in deren Rahmen bereits Entdeckungen wie die 'kolossale Magnetoresistenz' und die nachfolgende Festplatten-Miniaturisierung gemacht werden konnten."
Länder
Kanada, Deutschland