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Schwerpunktprogramm SPP 1285
Halbleiter Spintronik
Spintronik > Zusammenfassung

Zusammenfassung des Themengebietes

Das Funktionsprinzip von Halbleiterbauelementen muss in den nächsten 20 Jahren grundlegend geändert werden, da Quanteneffekte bei fortschreitender Reduktion der Strukturgrößen dominieren werden. Die Halbleiterindustrie ist sich dieser kommenden Revolution, die unausweichlich aus dem Mooreschen Gesetz folgt, bewusst. Bisher weiß jedoch niemand, wie solche Quanten-Halbleiterbauelemente funktionieren werden.

Klassische Halbleiterbauelemente basieren auf der gezielten Kontrolle der elektrischen Ladung. Die elektrische Ladung ist für quantenmechanische Bauelemente aber unter Umständen nicht die am besten geeignete Kontrollgröße, da die Kohärenzlänge der Ortswellenfunktion von Elektronen extrem klein ist. Neben der Ladung besitzt das Elektron als weitere Eigenschaft einen Spin. Der Spin des Elektrons ist um viele Größenordnungen stabiler als die Ortswellenfunktion und daher für Quantenbauelemente prinzipiell besser geeignet. Gleichzeitig ist die Energie, die für das Umschalten der Spinorientierung benötigt wird, um Größenordnungen kleiner als die Coulomb-Ladeenergie, so dass die bereits heute extrem problematische Wärmeentwicklung bei Halbleiterbauelementen lösbar erscheint.

Die Nutzung des Elektronenspins für Halbleiterbauelemente ist seit kurzem ein rasant wachsendes Forschungsgebiet, das als Halbleiter-Spintronik bezeichnet wird. Die Spintronik geht weit über die heutzutage bereits kommerziell genutzte Magnetoelektronik, die auf ferromagnetischen Metallschichten basiert, hinaus, und verfolgt das Ziel, einzelne Spins mittels optischer oder elektrischer Methoden zu schreiben und zu lesen und Spinpaare kontrolliert zu koppeln. Sie beabsichtigt im Gegensatz zur Magnetoelektronik, die magnetischen Eigenschaften über die Ladungsträgerdichte zu modifizieren, spin-optoelektronische Bauelemente zu realisieren und neuartige Quantenbauelemente zu entwickeln. Die Spintronik umfasst die Forschungsgebiete der traditionellen Halbleiterphysik, des Magnetismus, der Bauelemententwicklung und der Quanteninformationsverarbeitung in Festkörpern. Wissenschaftliche Ziele des beantragten Schwerpunktes "Halbleiter Spintronik" sind die Erforschung

  • der effizienten Injektion spinpolarisierter Elektronen mittels para- und ferromagnetischer Halbleiter und ferromagnetischer Metallcluster,
  • des Transports von Elektronenspins über Grenzflächen und große Distanzen,
  • der gezielten Manipulation der Orientierung von Elektronenspins,
  • der Spin-Spin-Wechselwirkung,
  • von Konzepten zur Entwicklung einer Spin-Elektronik und Spin-Optoelektronik,
  • der Grundlagen der Spin-Quanteninformationsverarbeitung in Halbleitern.

Um eine ausreichende Fokussierung und eine schlagkräftige Größe des Schwerpunktes zu erhalten, sollen die folgenden Themen nicht Bestandteil des Schwerpunktes sein: Spintronik mit organischen Materialien oder Metallen (Magnetoelektronik), Entwicklung von Heusler-Kontakten zur Injektion spinpolarisierter Ladungsträger, Metall-Halbleiter-Metall-Heterostrukturen, klassische ESR und NMR, Physik des Quanten-Hall-Effekts und Luttinger-Flüssigkeiten.

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)