Computer und andere elektronische Geräte verdanken ihre Fähigkeiten den ausgefeilten Möglichkeiten der Halbleitertechnik in der Manipulation bewegter Elektronen. Dem Nobelpreisträger Klaus von Klitzing vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und seinen Kollegen ist es jetzt gelungen, zusätzlich die Spins von Elektronen und Atomkernen in Halbleitern gezielt zu manipulieren, wie die Physiker im Fachmagazin Nature (Bd. 415, Nr. 6869, S. 281) berichten.
Den Spin von Teilchen kann man sich vereinfacht wie einen Stabmagneten mit Nord- und Südpol vorstellen. Da es für die Orientierung des Spins die beiden Möglichkeiten Up und Down gibt, könnte man diese Orientierung zur Speicherung einer Informationseinheit benutzen. Der Spin der Atomkerne eignet sich dafür besonders, weil er viel besser von der Umgebung abgeschirmt ist als der Spin der Elektronen.
Aber weil die Kernspins sehr viel schwächer sind als die Elektronenspins, ist es auch sehr viel schwieriger, sie gezielt mit einem äußeren Magnetfeld zu beeinflussen. Den Forschern um von Klitzing ist es nun gelungen, eine mit einem Magnetfeld zunächst auf Elektronen übertragene Spinrichtung auf die Atomkerne zu übertragen.
Das größte Problem, das es dabei zu überwinden galt, war die “Energiequantelung”: Das Umdrehen eines Kernspins erfordert nur etwa ein Tausendstel der Energie, die man für das Umdrehen eines Elektronenspins benötigt. Genauso wie man passendes Wechselgeld herausgeben muss, wenn jemand mit einem großen Schein bezahlt, muss die überschüssige Energie irgendwohin abgegeben werden ? und zwar genau passend.
Die naheliegendste Lösung, die überschüssige Energie in die Bewegungsenergie der Elektronen zu stecken, funktioniert aber nicht. Denn die Elektronen können sich in dem angelegten Magnetfeld gemäß der Quantenmechanik auch nur auf Bahnen mit genau festgelegter Energie bewegen.
Das passende “Kleingeld” zum Wechseln fanden die Forscher in elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen. Durch Variation einer an den Halbleiter angelegten Spannung und durch die Feineinstellung der Stärke des Magnetfeldes konnten sie die für den Spintransfer notwendigen Energiebedingungen einstellen.
Das Physikerteam konnte ebenfalls zeigen, dass auch die umgekehrte Richtung funktioniert, also die Beeinflussung der Elektronenspins durch die Kernspins. Damit besitzt ihre Anordnung die Grundmerkmale eines Lese-Schreib-Speichers.
Axel Tillemans
