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Fortschritt in der Silizium-Spintronik

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Im Unterschied zur klassischen Elektronik, die auf der Steuerung von Ladungsträgern in Halbleitern beruht, versucht die Spintronik, den Elektronenspin zur Steuerung auszunutzen und auf diese Weise möglicherweise zu einer schnelleren und energetisch effizienteren Informationsverarbeitung zu gelangen. Eine Forschergruppe in den USA – Biqin Huang und Ian Applebaum von der University of Delaware und Douwe Monsma von der Cambridge NanoTech Inc. in Massachusetts – berichtet jetzt, dass es erstmals gelungen sei, die prinzipielle Funktionsweise eines Spin-Feldeffekt-Transistors (spinFET) auf der Basis des klassischen Halbleitermaterials Silizium im Laborversuch zu demonstrieren.

Erst kürzlich hatte das Team berichtet, dass es eine Methode gefunden habe, einen spinpolarisierten Strom von Elektronen in undotiertes, einkristallines Silizium so zu injizieren, dass die Ausrichtung der Elektronenspins beim Durchqueren einer zehn Mikrometer dicken Lage aufrechterhalten bleibt. Damit hatten sie eine wichtige Hürde auf dem Weg zu einem Funktionsbaustein genommen.

In ihrer neuen Arbeit (PDF-Datei) zeigen sie nun, dass sich die Polarisation durch ein angelegtes Magnetfeld drehen läßt, während sich die Elektronen durch das Silizium bewegen. Dabei hängt das Ausmaß der Polarisationsdrehung davon ab, wie lange die Elektronen dem Magnetfeld ausgesetzt sind. Beschleunigt man sie durch ein elektrisches Feld in Längsrichtung, verkürzt sich diese Zeit, die Drehung ist weniger stark, und ein auf die ursprüngliche Polarisation eingestelltes Filter lässt mehr Elektronen durch. Ohne das elektrische Feld hingegen liegen die Spins quer zur Durchlassrichtung des Filters, und der Stromfluss kommt fast zum Erliegen.

Ähnlich wie bei einem konventionellen Feldeffekt-Transistor dient somit ein elektrisches Feld zur Steuerung des Ausgangsstromes. Der allerdings liegt bislang in der schwer beherrschbaren Größenordnung von einem Zehntel Pikoampere, also einem Zehnmillionstel Mikroampere, und auch die Betriebstemperatur von 85 Kelvin (–188 Grad Celsius) steht dem praktischen Einsatz in einem kommerziellen Bauelement noch im Wege. (Richard Sietmann) / (jk)