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Spintronik


Die Spintronik (aus den Wörtern Spin und Elektronik), manchmal auch Spinelektronik oder Fluxtronik genannt, ist ein neues Forschungsgebiet in der Nanoelektronik, das sowohl Teil der Grundlagenforschung als auch besonders stark anwendungbezogen ist. Die Spintronik basiert auf dem magnetischen Moment des Elektrons zur Informationsdarstellung und -verarbeitung und nicht nur auf dessen elektrischer Ladung wie die herkömmliche Halbleiterelektronik.

Unter dem älteren Begriff Magnetoelektronik wird im Wesentlichen ebenfalls die Nutzung des Elektronenspins zur Informationsverarbeitung verstanden. Im Gegensatz dazu ist in dem allgemeineren Begriff Spintronik jedoch u.a. die Erkenntnis enthalten, dass man Spins nicht nur mit Magnetfeldern, sondern z. B. auch mit elektrischen Feldern manipulieren kann.

Grundlagen

Die Spintronik beruht auf der Möglichkeit der sogenannten Spininjektion in Halbleitermaterialien, aber auch in organische oder metallische Materialien, und die Spininjektion kann z. B. vom Metall in den Halbleiter erfolgen. Mit der Spininjektion können in den genannten Materialien spinpolarisierte Ströme erzeugt werden. Diese weisen mit Betrag und Richtung des Spinerwartungswerts weitere Freiheitsgrade auf, die als zusätzliche Eigenschaften für die Informationsdarstellung genutzt werden können.

Anwendungen

Eine Anwendung der Spintronik sind Festplatten mit „Spinvalve“-Dünnschicht-Leseköpfen, die den GMR-Effekt oder TMR-Effekt nutzen. Der Riesenmagnetowiderstand GMR ermöglicht es, sehr kleine magnetische Domänen zu detektieren und so die Kapazität von Festplatten deutlich zu steigern. Für die Entdeckung des GMR-Effektes wurde Albert Fert und Peter Grünberg 2007 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Speichermedien: Ferromagnetismus versus Antiferromagnetismus

Während man bei den gegenwärtigen Anwendungen ausschließlich mit ferromagnetischem Speichermedien und Lese- bzw. Schreibköpfen arbeitet, um die genannten Effekte auszunutzen, sind seit einiger Zeit (~ 2013 bis 2014) auch antiferromagnetische Materialien Gegenstand aktueller Forschungen[1], zumal mit antiferromagnetischem Material die Bits 0 und 1 ebenso gut wiedergegeben werden können, wie mit ferromagnetischem Material (statt der gewohnten Zuordnung, 0 -> 'Magnetisierung nach oben' bzw. 1 -> 'Magnetisierung nach unten', benutzt man etwa: 0 -> 'vertikal-alternierende Spinkonfiguration' bzw. 1 -> 'horizontal-alternierende Spinkonfiguration'[2]).

Die Hauptvorteile des Einsatzes von antiferromagnetischem gegenüber ferromagnetischem Material sind

  • erstens die Unempfindlichkeit gegen Streufelder und
  • zweitens die um Größenordnung kürzeren Umschaltzeiten.

Literatur

  • Oliver Morsch: Der Spin macht es möglich. NZZ, Nr. 2306, 6. September 2006. online
  • Tomasz Dietl: Spintronics. Elsevier Acad. Press, Amsterdam 2008, ISBN 978-0-08-044956-2.
  • David D. Awschalom: Spin electronics. Kluwer Academic, Dordrecht 2004, ISBN 1-4020-1802-9.

Siehe auch

Einzelnachweise und Fußnoten

  1. z. B. Tomas Jungwirth, Ankündigung eines Kolloqiumvortrages an einer Bayerischen Universität („Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets“): [1]
  2. Das entspricht mathematisch dem Übergang von der Drehgruppe SO(3) zu der zugehörigen relativististischen Überlagerungsgruppe, der „Doppelgruppe“ SU(2).

Weblinks


Kategorien: Halbleiterelektronik | Elektrodynamik | Quantenphysik

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