Elementarteilchen, die nur Spin und keine elektrische Ladung aufweisen, könnten unter bestimmten Bedingungen besser zur Informationsübertragung und zum Aufbau von Logikbausteinen geeignet sein als Elektronen. Dies ist das Ergebnis einer Studie des indischen Instituts für Mathematikwissenschaften in Madras. Die ladungslosen Teilchen würden in Spins codierte Informationen in Form eines “Spin-Stroms” entlang kleiner Graphitleiter oder Kohlenstoffnanoröhren transportieren. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Band 89 Referenznummer 016402).
Die unter der Leitung von Ganapathy Baskaran veröffentlichte Arbeit sagt die Existenz einer bisher unbekannten Elementaranregung in Graphit voraus ? so genannte “Triplet-Exzitonen”, die einen ganzzahligen Spin 1 aufweisen. Diese als “Spinonen” bezeichneten Anregungen können gewissermaßen als ladungsfreie Teilchen angesehen werden und wurden bereits in Halbleitern und Nichtleitern nachgewiesen. Allerdings sind sie nur unter sehr komplizierten experimentellen Bedingungen erzeugbar und können sich zudem nicht über weitere Strecken in den Halbleitern ausbreiten.
Baskaran zeigt nun in seiner mathematischen Untersuchung, dass derartige Anregungen in Graphit nicht nur langlebig sind, sondern sich auch in Form eines Stroms über weite Strecken ohne großen Energieverlust ausbreiten können. Dies hängt damit zusammen, dass Graphit kein Halbleiter, sondern ein so genanntes Halbmetall ist ? seine Bandlücke ist gleich null.
Die Spinonen können aus Elektron-Loch-Paaren erzeugt werden und sich dann durch den Graphitkörper fortbewegen. Baskaran glaubt, dass ein derartiger Spinstrom auch in Kohlenstoffnanoröhren möglich sein sollte. Auf Spinonen basierende Logikbausteine könnten daher in hochintegrierten, auf Kohlenstoffnanoröhren basierenden Chips eingesetzt werden.
Der Transport von in Spin codierten Informationen mittels eines Spinonen-Stroms würde Aufgrund der Abwesenheit einer elektrischen Ladung weniger von Streuungen an Atomen oder Festkörperdefekten beeinflusst werden als ein Strom negativ geladener Elektronen. Die Ausnutzung des Elektronenspins zur Herstellung neuartiger mikroelektronischer Geräte ist ein in den letzten Jahren entstandenes aktives Forschungsfeld ? die sogenannte Spintronik. Ob dies nun durch eine Spinonik ergänzt wird, muss sich erst noch in Experimenten zeigen.
Stefan Maier
