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Schwerpunktprogramm SPP 1285
Halbleiter Spintronik
Spintronik > Stand der Forschung > Spinsteuerung

Spinsteuerung und spintronische Bauelemente

Die dritte notwendige Komponente für eine zukünftige Spintronik ist die gezielte Steuerung der Spinorientierung. Datta und Das haben bereits im Jahr 1990 ein Bauelement vorgeschlagen, bei dem die Spinorientierung durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann [49]. Das Bauelement ist heutzutage als Datta-Das Spin-Feldeffekttransistor bekannt und beruht auf der Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung. Dabei wird eine Spinpräzession durch ein elektrisches Feld hervorgerufen, das senkrecht auf der Bewegungsrichtung der Elektronen steht. Die Stärke des elektrischen Feldes ist ein Maß für die Strukturinversionsasymmetrie, die über die Spin-Bahn-Wechselwirkung zu einem k-abhängigen, effektiven Magnetfeld führt [50, 51]. In eindimensionalen Strukturen ist damit eine effiziente elektrische Steuerung der Spinorientierung im Prinzip möglich, wobei besonders effiziente Spinmodulationen in Halbleitern mit kleiner Bandlücke im ballistischen Regime vorhergesagt werden [52]. Erste überzeugende experimentelle Resultate zur Spinmodulation wurden bisher bei niedrigen Temperaturen in (In0,53Ga0,47)As/(In0,52Al0,48)As-Quantenfilmen und GaAs/(AlGa)As-2DEG erzielt [53-55].

Ein langfristiges Ziel der Spintronik ist die Entwicklung neuartiger Bauelemente. Der Datta-Das-Transistor hat sich dabei zu einem Modellobjekt entwickelt, da mit diesem Bauelement das Zusammenspiel zwischen Spininjektion, aktiver Spinmodulation und Spindetektion exemplarisch untersucht werden kann. Andere Bauelemente übertragen aus der Magnetoelektronik das Konzept des Riesenmagnetowiderstandes auf halbleitende Schichten und zielen damit auf halbleitende "Magnetic Random Access Memories", Magnetfeldsensoren oder reprogrammierbare Halbleitermagnetologik [56-58]. Gezeigt wurde beispielsweise ein 2000 % Tunnelmagnetowiderstand in einer ferromagnetischen (Ga,Mn)As Nanostruktur [59-61]. Bauelementkonzepte sind jedoch nicht auf magnetoresistive Ansätze beschränkt. Bereits patentiert ist beispielsweise eine Spin-LED, die aufgrund der strahlenden Rekombination von spinpolarisierten Elektronen zirkular polarisiertes Licht emittiert [62]. In oberfächenemittierenden Mikroresonatorlasern wurde gezeigt, dass die Injektion von spinpolarisierten Elektronen den Laserschwellstrom deutlich reduziert. Experimentell wurde bisher eine Schwellstromreduk- tion von 23 % bei niedrigen Temperaturen nachgewiesen [63]. Rechnungen auf Basis eines einfachen Ratengleichungsmodells sagen eine Schwellstromreduktion von bis zu 50 % bei Raumtemperatur voraus. Ursache für die Schwellstromreduktion ist die selektive Kopplung von spinpolarisierten Elektronen an Photonen mit einer definierten Helizität. Frühere Experimente hatten zuvor schon gezeigt, dass die Intensität und die Helizität der stimulierten Emission dieser so genannten Spin-Laser durch Modulation der Spinorientierung geschaltet werden kann [64]. Die mit Sicherheit futuristischsten Bauelementkonzepte der Spintronik zielen auf die Entwicklung von Spin-Quantencomputern. Die Entwicklung dieser (zumindest momentan) rein "akademischen" Bauelemente wird durch die Spintronik befruchtet, da der Elektronenspin ein nahezu ideales Qubit-System darstellt, das extrem stabil ist und in Halbleitern aufgrund der hoch entwickelten Halbleitertechnologie relativ einfach manipuliert werden kann [65]. Die für Quantencomputing notwendigen Operationen wurden für einzelne Qubits bereits experimentell realisiert und ausgeklügeltere Konzepte theoretisch vorgestellt [9, 66-68].

Wichtige Termine:


15. Sept. 2013:
Deadline für den Sonderband Semiconductor Spintronics (DFG-Abschlussbericht) in physica status solidi b
(nähere Informationen wurden per Email zugeschickt)


30. Sept. - 2. Okt. 2013:
Abschlusstreffen des Schwerpunktprogramms "International workshop on semiconductor spintronics" in der Residenz Würzburg
(nähere Informationen)

Aktuelle Veröffentlichung(en):

C. Drexler, S.A. Tarasenko, P. Olbrich, J. Karch, M. Hirmer, F. Müller, M. Gmitra, J. Fabian, R. Yakimova, S. Lara-Avila, S. Kubatkin, M. Wang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, and S.D. Ganichev :  "Magnetic quantum ratchet effect in graphene" Nature Nanotechnology 8, 104 (2013)

J.H. Buß, J. Rudolph, S. Shvarkov, H. Hardtdegen, A.D. Wieck, and D. Hägele:  "Long electron spin coherence in ion‐implanted GaN: The role of localization" Appl. Phys. Lett. 102, 192102 (2013)

D.J. English, J. Hübner, P.S. Eldridge, D. Taylor, M. Henini, R.T. Harley, and M. Oestreich:  "Effect of symmetry reduction on the spin dynamics of (001)-oriented GaAs quantum wells" Phys. Rev. B 87, 075304 (2013)

V.L. Korenev, I.A. Akimov, S.V. Zaitsev, V.F. Sapega, L. Langer, D.R. Yakovlev, Yu. A. Danilov, and M. Bayer:  "Dynamic spin polarization by orientation-dependent separation in a ferromagnet–semiconductor hybrid" Nature Communications 3, 959 (2012)

M. Althammer, E.-M. Karrer-Müller, S.T.B. Goennenwein, M. Opel, R. Gross:  "Spin transport and spin dephasing in zinc oxide" Appl. Phys. Lett. 101, 082404 (2012)