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Immer wieder stoßen wir auf Publikationen von Forschungsteams, die neue Techniken entwickelt haben, die früher oder später auch den Weg in unsere PC-Systeme finden. Erst kürzlich berichteten wir über Graphen-Käfige, die Silizium-Kristalle in neuen Akkus zusammenhalten sollen, damit diese eine um den Faktor zehn höhere Kapazität vorweisen können. Heute soll es um eine weitere Neuerung gehen, die nichts mit Akkus zu tun hat und vermutlich in der Praxis noch viel später relevant werden wird.
Halbleiterhersteller müssen sich immer mehr Tricks einfallen lassen, um immer kleinere Fertigungsgrößen zu ermöglichen. Festplattenhersteller erhitzen die Speicherplatter jeweils kurz bevor der Schreibkopf die Daten darauf ablegt und so ließe sich eine lange Liste neuer Technologien erstellen, die immer schnellere Übertragungen, höhere Speicherdichten und kleinere Bauteile möglich macht. Früher oder später werden wir auf eine Ebene vorstoßen, bei der nur noch ein einzelnes Atom bzw. die darin befindlichen Elektronen eine Rolle spielen. Der Elektronen-Spin ist eine quantenmechanische Größe, die eine Art Drehbewegung der Elektronen mit einem entsprechenden Drehimpuls beschreibt. Der Spin kann zwei Orientierungen rechts herum oder links herum – oben oder unten – je nachdem wie die Drehachse ausgerichtet ist. Sind die Spins nicht in eine zufällige Richtung orientiert, sondern zeigen alle in die gleiche Richtung, fließt zusammen mit dem elektrischen Strom ein Spinstrom, wenn Elektronen in Bewegung sind.
Diese Spinströme besitzen aber andere Eigenschaften als der elektrische Strom, der durch alle elektrischen Bauteile fließt. Anders als elektrischer Strom kann ein Spinstrom "versiegen", weil sich die Spins mit der Zeit wieder zufällig anordnen. Die kontrollierte Erzeugung und Erhaltung von Spinströmen ist daher essentiell für die spintronische Technik und eröffnet interessante Möglichkeiten für die magnetische Speichertechnik. In Quantencomputern kommt eine solche Technik zum Einsatz. Eines Tages sollen diese aktuelle Computersysteme ablösen und auch wenn es sich noch um mehr oder weniger theoretische Systeme handelt, so forschen doch namhafte Unternehmen wie Google und IBM daran.
Zur Erzeugung der Spinströme nutzen die Wissenschaftler die Spin-Bahn-Wechselwirkung – die Interaktion vom Spin der Elektronen und deren Bewegung. Dazu entwickelten sie ein wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus magnetischen und nichtmagnetischen Metallen, die jeweils unterschiedlich starke Spin-Bahn-Wechselwirkung aufwiesen. Angeregt durch einen ultrakurzen Laserpuls von etwa 20 fs (Femtosekunde) entstehen in dem Schichtsystem Spinstrompulse in extrem schnellen Terahertz-Frequenzen.
"Das Besondere an der neuen Studie ist die Art des verwendeten Laserlichts", erläutert Yuriy Mokrousov, Leiter der Forschungsgruppe "Topological Nanoelectronics" am Jülicher Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation. "Wir haben zirkular polarisierte Laserpulse verwendet, bei denen die Lichtwellen des Lasers um die Achse der Ausbreitungsrichtung schwingen – etwa wie beim Gewinde einer Schraube", erklärt Frank Freimuth vom Peter Grünberg Institut. "Diese wirken wie ein Magnetfeld auf die Elektronenspins, und richten sie aus."
Über die Anwendung dieser Technologie haben wir bereits ein paar Worte verloren. Die extrem kleinen Ausdehnungen von denen wir sprechen legen beispielsweise eine Speicherung von Daten mit extrem hoher Datendichte dar. Auch denkbar sind die Übertragung von Daten mithilfe dieser extrem schnellen Spinstrommpulsen im Terahertz-Bereich. Mit der Entwicklung einer solchen Technik im Labor ist aber noch lange nicht an eine konkrete Umsetzung zu denken. Bis sich hier erste Ergebnisse zeigen werden, wird es noch mehrere Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern. Dennoch ist es immer wieder interessant zu sehen, an was die Forscher bereits heute arbeiten, während wir noch über Fertigungen in 10-nm-Bereich spekulieren und Wissenschaftler bereits die Drehrichtung einzelner Elektronen gezielt beeinflussen.