Suchen Sie jetzt einen Anwalt:
   

JuraForum.deNachrichtenWissenschaftSpin-Ströme in topologischem Isolator 

Spin-Ströme in topologischem Isolator

04.06.2012, 17:10 | Wissenschaft | Autor: | Jetzt kommentieren


Wieder sorgen Würzburger Physiker für neue Erkenntnisse in der Spintronik: In extrem dünnen topologischen Isolatoren haben sie spin-polarisierte Ströme nachgewiesen, welche die Theorie seit sechs Jahren vorhersagt. Zugleich zeigen sie einen Weg der Anwendung für neuartige Rechner.

Elektronen haben einen inneren Drehimpuls, Spin genannt. Dadurch sind sie nicht nur Ladungen, sondern auch kleine Magnete, die sich ausrichten lassen. Beim alltäglichen Einsatz von Computern sind jedoch so viele Elektronen-Magnete zufällig in alle Richtungen ausgerichtet, dass sie sich am Ende gegenseitig auslöschen. Ließe sich der Spin aber kontrollieren, so könnten konventionelle Rechner auf einen Schlag viel schneller werden: Bei der so genannten Spintronik wird die magnetische Ausrichtung der Elektronen zur Informationsübertragung genutzt, und das erzeugt viel weniger Wärme, als das bisher nötige ständige An- und Ausschalten des Stroms.

Metall und Isolator gleichzeitig: Topologische Isolatoren

Eine viel versprechende Materialklasse für die Realisierung spintronischer Bauelemente sind die topologischen Isolatoren. Sie leiten nur an ihrer Oberfläche Strom, nicht jedoch im Inneren. In dünnen Schichten einiger dieser Materialien besteht der Randstrom aus genau zwei Kanälen, in denen sich einzelne Elektronen bewegen. Die Flussrichtung in den beiden Kanälen ist entgegengesetzt, genau wie die Spin-Ausrichtung. Dieses Verhalten nennt man den Quanten-Spin-Hall-Effekt (QSH), in Anlehnung an den Quanten-Hall-Effekt. Entdeckt wurde der QSH-Effekt 2007 in der Arbeitsgruppe von Professor Laurens Molenkamp an der Universität Würzburg.

Physiker aus dem Lehrstuhl von Laurens Molenkamp und der Arbeitsgruppe von Professorin Ewelina Hankiewicz zeigen jetzt mit Forschern der Stanford University aus Kalifornien, wie sich die Spin-Polarisation der Kanäle experimentell nachweisen lässt. Gleichzeitig stellen sie ein elektrisches Bauteil vor, das spin-polarisierte Ströme erzeugen und messen kann. Damit besitzt es grundlegende Fähigkeiten, die für die Spintronik nötig sind. Diese Ergebnisse sind in der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Von der Theorie zum Experiment: Mit einem Nano-H zum Erfolg

Bis vor kurzem war die Spin-Polarisation der Kanäle nur mathematisch beschrieben; experimentell konnte nur indirekt auf sie geschlossen werden. „Der Quanten-Spin-Hall-Effekt kann aber nur unter der Voraussetzung existieren, dass wir tatsächlich einen spin-polarisierten Transport haben“, sagt Arbeitsgruppenleiter Hartmut Buhmann aus dem Lehrstuhl Molenkamp.

Dem Würzburger Physiker Christoph Brüne gelang der experimentelle Nachweis nun mit einem geschickten Versuchsaufbau. Den Erfolg brachte eine Nanostruktur in Form eines H. Sie besteht aus Quecksilber-Tellurid und besitzt an jedem Arm eine zusätzliche Elektrode aus Gold.

Damit ist es möglich, einen Arm der H-Struktur mit einer angelegten Gate-Spannung in den Quanten-Spin-Hall-Zustand zu versetzen. Der andere Arm sorgt an der Verbindungsstelle, dem Querstrich des H, für ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Spin-Strömen. Dadurch können nur Elektronen mit einer magnetischen Ausrichtung extrahiert und gemessen werden. Diese Funktion lässt sich auch umdrehen, so dass man einen spin-polarisierten Strom einspeisen und eine im QSH-Material erzeugte Spannung messen kann.

Herausgeber von „Nature Physics“ heben die Arbeit hervor

Die nötige Theorie, um die Messwerte eindeutig als Spin-Ströme zu identifizieren, stammt zusammen mit aufwändigen Simulationen aus der Gruppe von Ewelina Hankiewicz und ihren Kollegen in der Arbeitsgruppe von Professor Shou-Cheng Zhang in Stanford: „Es war nicht einfach zu berechnen, wie die Spin-Kanten-Ströme in das Metall des zweiten Arms gelangen“, sagt die Professorin.

Doch am Ende wurde die Mühe belohnt: Die Herausgeber von „Nature Physics“ haben der Würzburger Arbeit sogar einen „News & Views“-Übersichtsartikel gewidmet. „Das kommt einer Auszeichnung gleich und stuft unsere Ergebnisse als besonders wichtig ein“, erklärt Laurens Molenkamp.

Nächste Forschungsschritte: Konzept erweitern

Der von den Würzburger Physikern vorgestellte Aufbau funktioniert bislang nur bei extrem tiefen Temperaturen, bei minus 271 Grad Celsius. Um ihn auch bei Raumtemperatur nutzen zu können, müssen erst noch geeignete Materialien gefunden werden. Für die Zukunft planen die Würzburger Forscher zunächst, das Konzept zu einem Spin-Transistor zu erweitern und so alle nötigen Zutaten für eine Anwendung in der Spintronik bereitzustellen.

Topologische Isolatoren bergen noch mehr Potenzial: Sie sind für weitere exotische Entdeckungen gut, wie zum Beispiel Majorana-Fermionen – das sind Teilchen, die gleichzeitig ihr Antiteilchen sind. Kein Wunder also, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in diesem Jahr ein neues Schwerpunktprogramm „Topologische Isolatoren“ einrichten will.

Veröffentlichungen zum Thema

Christoph Brüne, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Ewelina M. Hankiewicz, Laurens W. Molenkamp, Joseph Maciejko, Xiao-Liang Qi & Shou-Cheng Zhang: Spin polarization of the quantum spin Hall edge states; Nature Physics 8, 486–491 (2012), doi:10.1038/nphys2322

Yi Zhou & Fu-Chun Zhang: Quantum spin Hall effect: Left up right down; Nature Physics 8, 448–449 (2012), doi:10.1038/nphys2335

Markus König, Steffen Wiedmann, Christoph Brüne, Andreas Roth, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Xiao-Liang Qi and Shou-Cheng Zhang: Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells; Science 318, 766-770 (2007), doi: 10.1126/science.1148047

Kontakt

Prof. Dr. Laurens Molenkamp, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 31-84925, molenkamp@physik.uni-wuerzburg.de

Quelle: idw


Weitere Nachrichten zum Thema
  • BildMolekularer Informationsspeicher mit Spin (24.01.2013, 11:10)
    Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen hat eine Möglichkeit gefunden, Datenmengen von bis zu einem Petabyte pro Quadratzoll zu speichern. Ein Petabyte entspricht 1.000 Terabyte beziehungsweise einer Million...
  • BildGibt es doch elektrische Ströme in einem Isolator? (04.10.2012, 11:10)
    Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin beobachteten einen extrem schnellen Austausch von Elektronen zwischen benachbarten Atomen nach Anlegen eines starken optischen Feldes an einen Isolator. Die räumliche Elektronendichte konnte mit Hilfe von...
  • BildSpin Currents in Topological Insulators (12.06.2012, 15:10)
    Once again, Würzburg physicists provide new insights into spintronics: In ultra-thin topological insulators, they have identified spin-polarized currents, which were first theoretically predicted six years ago. They also present a method of...
  • BildStröme ohne Verluste (18.05.2012, 15:10)
    Konstanzer Physiker liefern Hinweise für ein besseres Verständnis von Hochtemperatur-SupraleiternWindparks in der Nordsee, Pläne für riesige Solaranlagen in Nordafrika – während die Technik zur alternativen Energiegewinnung große Fortschritte...
  • BildDurchfluss für Spin-Strom (01.09.2011, 14:10)
    Stanislav Chadov berechnet ideale Materialkombinationen für einen möglichst verlustfreien Spin-StromflussAm Anfang einer Entdeckung oder der Verbesserung von neuen Werkstoffen steht oft der Versuch und das Experiment im Labor. Einen anderen Weg...
  • BildSpin Manipulation Successful (22.04.2010, 10:00)
    Ultrafast operation and high performance: This is what is expected of quantum computers. But there are still some obstacles to the technical implementation of this new type of computer. Physicists of the University of Würzburg report on their...
  • BildSpin-Manipulation geglückt (19.04.2010, 10:00)
    Superschnell und leistungsstark: So sollen Quantencomputer einmal sein. Doch vor der Realisierung dieses völlig neuen Computertyps stehen noch technische Hürden. Über Fortschritte auf diesem Gebiet berichten Physiker der Uni Würzburg in "Nature...
  • BildQuantenphysik mit Spin (21.09.2009, 12:00)
    In der Grundlagenforschung von Patrik Recher kreist alles um den Spin, einen intrinsischen Drehimpuls im Elektron selbst, aus dem ein magnetisches Moment resultiert. Und sie könnte dazu beitragen, den Quantencomputer zu realisieren - einen...
  • BildLicht gibt Asteroiden Spin (08.03.2007, 12:00)
    Wissenschaftler beobachten erstmals den YORP-EffektEin internationales Wissenschaftlerteam hat erstmals einen Asteroiden beobachtet, der seine Rotationsgeschwindigkeit ändert. Die Astronomen aus den USA und Europa - darunter auch Hermann...
  • BildWelche Ströme fließen im Plasma? (14.12.2005, 11:00)
    Cary Forest wird mit seiner Familie bis August nächsten Jahres in Garching bleiben. Während seine Frau, ebenfalls Professorin an der Universität von Wisconsin, die Zeit für ein Forschungsfreisemester nutzt und sich die Kinder mit der neuen Sprache...

Ähnliche Themen in den JuraForen


Kommentar schreiben

38 + S e chs =

Bisherige Kommentare zur Nachricht (0)

(Keine Kommentare vorhanden)



JuraForum.deNachrichtenWissenschaftSpin-Ströme in topologischem Isolator 

Fragen Sie einen Anwalt!
Anwälte sind gerade online.
Schnelle Antwort auf Ihre Rechtsfrage.

JuraForum-Newsletter

Kostenlose aktuelle Urteile und Rechtstipps per E-Mail:

Top 10 Orte in der Anwaltssuche

JuraForum-Suche

Durchsuchen Sie hier JuraForum.de nach bestimmten Begriffen:

© 2003-2016 JuraForum.de — Alle Rechte vorbehalten. Keine Vervielfältigung, Verbreitung oder Nutzung für kommerzielle Zwecke.