Ultraschnelle Beobachtung des Elektronenspins

Basis für die Informationstechnologie von morgen

22. April 2015

Die heutige digitale Datenverarbeitung basiert auf zwei Eigenschaften des Elektrons: Die erste ist die elektrische Ladung, die in Schaltkreisen zur Informationsverarbeitung genutzt wird. Die zweite ist der Elektronenspin, eine Art Eigendrehung des Elektrons, die zum Speichern von Daten auf magnetischen Medien wie einer Festplatte dient. Neue Forschungsansätze versuchen Spin und Ladung eines Elektrons simultan zu nutzen, um Funktion, Kapazität, Geschwindigkeit und Energieverbrauch der elektronischen Datenverarbeitung zu verbessern.

Auf der Mikroskopaufnahme der magnetischen Probe ist die helle Spur des Röntgenstrahls zu sehen.

Forschern des DESY, des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und der Universität Hamburg ist jetzt ein wichtiger Schritt zur Aufzeichnung des Elektronenspins bei sehr hohen Frequenzen gelungen, die technologisch von besonderer Bedeutung sind. Das Team platzierte dazu eine bestimmte Atomvariante von Eisen als eine Art Sensor in dem untersuchten Magnetmaterial und nutzte die extrem brillante Röntgenstrahlung von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III, um diesen Atomsensor auszulesen. Die Wissenschaftler stellen ihre Arbeit im Fachblatt Physical Review Letters vor.

„Die tatsächliche Bahn des Spins ist von Bedeutung, weil sie viele der untersuchten Spineffekte beeinflusst, die für neue funktionale Elemente infrage kommen”, erläutert Hauptautor Lars Bocklage von DESY, der auch Mitglied des Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) ist. „Besonders für die Datenverarbeitung und die Mobilkommunikation sind hohe Frequenzen wichtig. Aber selbst die schnellsten Mikroskoptechniken, die es zurzeit zur Bestimmung der Spinbewegung gibt, stoßen im Gigahertz-Bereich, der in diesem Experiment untersucht wurde, an ihre Grenzen.” Ein Gigahertz entspricht einer Milliarde Zyklen pro Sekunde.

Der Trick in der vorliegenden Arbeit ist die Verwendung einer speziellen Eisenvariante, die im Atomkern ein Neutron mehr enthält als die häufigste Form von Eisen. Das verwendete Eisenisotop absorbiert Röntgenstrahlung einer spezifischen Energie und strahlt sie nach sehr kurzer Zeit wieder ab. Diese Technik heißt Kernresonanzfluoreszenz. Das Team um Bocklage konnte bestimmen wie die Röntgenfluoreszenz von der Bewegung des Elektronenspins beeinflusst wird. „Der Spin hinterlässt einen charakteristischen Fingerabdruck in der Strahlung, die vom Eisenisotop ausgesandt wird, und auf diese Weise lässt sich die Bahn des Spins bestimmen”, beschreibt Bocklage.

Bei dem untersuchten System handelt es sich um einen 13 Nanometer (millionstel Millimeter) dünnen ferromagnetischen Film aus Nickel und Eisen, sogenanntes Permalloy. Das Material wurde mit einem externen Hochfrequenz-Magnetfeld so angeregt, dass die Spins der Elektronen eine Präzession ausführen. Das bedeutet, sie taumeln wie ein Kinderkreisel, der einen seitlichen Schubs bekommt. Die genaue Bewegung des Spins war bislang nicht bekannt. Die Untersuchung zeigt, dass sich mit der verwendeten Technik die Form und die Amplitude der Spinbahn präzise bestimmen lassen.

„Die Spins führen eine elliptische Bewegung in dem dünnen Film aus, was vielfältige Konsequenzen sowohl für die Forschungsfelder der Spintronik, Spinkaloritronik und Magnonik, als auch für die theoretischen Modelle der spinbedingten Effekte hat“, berichtet Bocklage. „Mit der verwendeten Kernfluoreszenztechnik und den Ergebnissen zur Spinbewegung lassen sich die Spinbahnen optimieren und damit auch die Funktion künftiger spinbasierter Anwendungen.“

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