Something on Spintronics

Wo alles anfängt

Die gesamte existierende Halbleiterelektronik basiert auf der Ladung des Elektrons. Diese Ladung wird in Form von Elektronen oder Löchern zur Darstellung und Verarbeitung in analoger und digitaler Form genutzt. Die Ladung des Elektrons ist fest und hat keine Dimension. D. h.: um die Ladung zu ändern muß man Elektronen hinzufügen oder wegschaffen. Es fließt ein Strom.

Der Spin

Neben der Ladung hat das Elektron noch eine weitere Eigenschaft, den Spin. Dieser kann wie ein Eigendrehimpuls angesehen werden, der allerdings beim Elektron quantisiert ist, also nur zwei Zustände (‘up’ und ‘down’) einnehmen kann. Dies ist immerhin schon mehr als bei der Ladung. Diese hatte nur einen Zustand. Dieser Drehimpuls führt, da es sich grob gesagt um die Eigenrotation eines geladenen Teilchens handelt, zu einem magnetischen Moment. Jedes Elektron hat also grundsätzlich ein magnetisches Moment mit festem Betrag und zwei möglichen Richtungen.

Geschichtliches

Bis Ende der 80er Jahre war der einzige bekannte Effekt, der mit dem Spin zu tun hatte, der Ferromagnetismus. In Ferromagneten haben die Elektronenspins eine Vorzugsrichtung, die zu einem makroskopischen magnetischen Moment führt, das jeder kennt. Diese Eigenschaft ist übrigens neben der Supraleitung der einzige bekannte makroskopische Quanteneffekt. Der Magnetismus wird schon lange erforscht und auch seit Langem zur Informationsspeicherung in Tonbändern, später in Disketten und Festplatten eingesetzt. All diesen Systemen war es jedoch zu eigen, daß das Auslesen und Schreiben der Information nur über das externe Magnetfeld mittels Induktionsspulen durchgeführt wurde, was bewegte Schreib/Leseköpfe notwendig macht und die Packungsdichte einzelner Bits auf einer Festplatte stark beschränkte. Ein anderer Zugang zur Magnetisierung, respektive zur Spininformation schien derzeit nicht möglich. Eine kleine Verbesserung kam durch die Einführung der ersten magnetoresistiven Leseköpfe. In diesen ändert eine stromdurchflossene magnetische Schicht ihren Widerstand geringfügig, wenn ein äußeres Feld angelegt wird, je nachdem ob das Magnetfeld quer zur oder in Stromrichtung liegt. Dieser Effekt ist klein, führte aber zum ersten Sprung in der Kapazität von Festplatten. Viele werden sich noch daran erinnern, als die ersten Platten mit Kapazitäten jenseits der 512MByte Grenze auftauchten (und viele DOS Rechner damit Probleme hatten).

Die Revolution, der Giant Magnetoresistance

Ende der 80er Jahre wurde unabhängig voneinander durch Peter Grünberg und Albert Fert der Giant Magnetoresistance entdeckt. Dieser Effekt läßt sich auf einfache Weise beschreiben. Zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten befindet sich eine sehr dünne nichtmagnetische Metallschicht. Typische Kombinationen sind Kobalt und Kupfer bzw. Eisen und Chrom. Schickt man durch solch ein Schichtsystem einen Strom, so stellt man fest, daß je nachdem, ob die beiden Magnetschichten parallel oder antiparallel magnetisiert sind, der Widerstand kleiner oder größer ist. Wie kommt dies zu stande? In den ferromagnetischen Schichten liegen jeweils mehr Elektronen mit einer bestimmten Spinausrichtung (entsprechend ihrer Magnetisierung) vor. Der Strom wird also mehrheitlich von Elektronen einer bestimmten Spinausrichtung getragen. Fließt der Strom in die nichtmagnetische Schicht, so werden die Elektronen beim Übergang ihren Spin noch für kurze Zeit behalten. Reicht diese Zeit aus, um die zweite magnetische Schicht zu erreichen, so werden sie an dieser weniger oder mehr gestreut, je nachdem ob sie den passenden (parallel magnetisiert) oder den unpassenden (antiparallel magnetisiert) Spin haben. Der Widerstand ändert sich. Durch diesen Effekt war es erstmals möglich geworden, eine Magnetisierungsinformation ohne den Umweg über eine Spule direkt und rein elektronisch auszulesen. Die Nützlichkeit des Effektes wurde schnell erkannt, und innerhalb von sieben Jahren brachte IBM die ersten Festplatten-Leseköpfe mit GMR Schichten auf den Markt. Diese Köpfe revolutionierten die Festplattenindustrie. Das rasche Anwachsen der Festplattenkapazitäten in den letzten Jahren ist im Wesentlichen auf diese Entwicklung zurückzuführen.

Der Übergang zum Halbleiter

Mit der Entwicklung des Giant Magnetowiderstandes war klar geworden, daß mit dem Spin mehr gemacht werden kann, als nur Magnetfelder zu erzeugen. Da Magnetismus schon lange für die permanente Datenspeicherung eingesetzt wurde, lag es nahe, die neue Entwicklung auch für elektronische Speicher (RAM's) oder programmierbare Logik einzusetzen. Darüberhinaus stellt der Spin aufgrund der zwei möglichen Zustände eine viel bessere Informationseinheit dar als die Ladung des Elektrons. Ein Bauelement zur Spinmanipulation könnte ungeahnte Möglichkeiten eröffnen. Ein wesentliches Hindernis auf dem Weg zu diesen Zielen stellten aber die Materialeigenschaften der typischen GMR Materialien dar. Als reine Metalle, haben die Schichtsysteme sehr geringe Widerstände, die sich kaum an die Halbleiterelektronik anpassen lassen, was GMR basierte Speicher eigentlich nur für Spezialanwendungen, nicht aber für den breiten Markt interessant macht. Will man nicht nur Informationen speichern, so wird es ganz unmöglich. Die nicht magnetischen Zwischenschichten in GMR Multilagen sind Bruchteile von Nanometern dick, was ein Eingreifen durch weitere Elektroden unmöglich macht. Außerdem läßt sich im Gegensatz zu Halbleitern in Metallen die ohnehin hohe Leitfähigkeit nicht verändern. Ganz anders wäre es, wenn man anstelle der metallischen Zwischenschicht einen Halbleiter verwenden könnte. Schon sehr früh (Ref) war nachgewiesen worden, daß der Elektronenspin in Halbleitern über lange Zeit bestehen kann, was einen Transport der Spininformation über hunderte von Mikrometern ermöglicht. Es würde also genug Platz zur Spinmanipulation bestehen. Desweiteren ist die Leitfähigkeit der Halbleiter fast beliebig durch Verunreinigungen (Dotierung) einstellbar und kann darüberhinaus durch den Feldeffekt variiert werden, eine Tatsache, die den Siegeszug des Transistors und später der CMOS Technologie ermöglichte. Ganz zur passenden Zeit brachte dann Datta (Ref) ein Konzept vor, in dem er zeigte, daß in bestimmten Halbleitern der Spin sogar über ein elektrisches Feld geschaltet werden könnte. All dies war Motivation genug, um Mitte der 90er Jahre weltweit diverse Forschergruppen dazu zu bringen, zu versuchen, die Übertragung der Spininformation aus einem Ferromagneten in einen Halbleiter analog zu GMR zu erreichen, die sogenannte Spininjektion. Eine dieser Gruppen war die Spintronikgruppe von Dr. Georg Schmidt und Professor Laurens W. Molenkamp, beide zu dieser Zeit noch an der RWTH-Aachen.

Die ersten Versuche

Eigentlich schien alles ganz einfach. Wie beim GMR wollte man zwei ferromagnetische Metallkontakte nehmen, denn was liegt näher, wenn man Materialien mit spinpolarisierten Elektronen sucht. Diese sollten auf einem Stück Halbleiter angebracht werden, das dann sozusagen als mittlere Schicht in einem GMR Bauelement dienen sollte. Schon in dieser Konfiguration sollte es möglich sein, die Widerstandsänderung zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Kontakte nachzuweisen. Später wollte man dann noch zwischen den beiden Kontakten ein Gate anbringen, um über ein elektrisches Feld den Spin zu steuern, wie Datta es vorhergesagt hatte. Erstaunlicherweise gelang es über Jahre keiner Gruppe, einen überzeugenden Nachweis hierfür zu erbringen. Trotz dieser Misserfolge wurden aber weitere Konzepte für neue Bauelemente entwickelt. Hierzu gehört unter anderem ein Bauelement, in dem erstmals der Stern Gerlach Versuch in einem Festkörper an spinpolarisierten Elektronen durchgeführt werden kann.

Der Erfolg

1999 wechselte Professor Molenkamp und mit ihm die Spintronikgruppe nach Würzburg, wo er die Nachfolge von Professor Landwehr antrat. Mit dieser Nachfolge übernahm er zugleich die dort vorhandene Molekularstrahlepitaxie und mit den dortigen Mitarbeitern einen großen Erfahrungsschatz im Bereich der Herstellung sogenannter verdünnt magnetischer II-VI-Halbleiter (Link). Diese Materialien sind zwar nicht ferromagnetisch, weisen aber bei tiefen Temperaturen und in einem externen Magnetfeldern eine vollständige Spinpolarisation auf, das heißt, alle Leitungselektronen haben die gleiche Spinausrichtung. Letzteres ist bei magnetischen Metallen beileibe nicht der Fall, dort haben zumeist etwa 70% der Elektronen die gleiche Richtung. Mit diesen Materialien wurde ein neues Experiment zur Spininjektion gestartet, in dem zugleich eine andere Nachweismethode verwendet werden sollte. Werden spinpolarisierte Elektronen in eine Leuchtdiode injiziert, so kann man an der optischen Polarisation des emittierten Lichtes die Spinpolarisation der Elektronen ablesen (Link). Dieses Verfahren war bereits in den Aachener Zeiten dazu verwendet worden, um Experimente mit magnetischen Metallen zu machen, hatte jedoch dort kein zuverlässiges Ergebnis gezeigt. In Würzburg wurde nun eine GaAs-Leuchtdiode (Link) mit einem magnetischen ZnMnSe-Kontakt (Link) hergestellt und untersucht. Das Ergebnis war mehr als positiv. Mehr als 90% der Elektronen, die in die Leuchtdiode injiziert wurden, hatten ihre Spinausrichtung behalten. Hiermit war weltweit erstmals die elektrische Injektion spinpoalrisierter Elektronen von einem magnetischen Material in einen nichtmagnetischen Halbleiter nachgewiesen worden. Diese Arbeit wurde im Dezember 1999 in NATURE veröffentlicht (Link).

Der Aufbruch

Mit diesem Ergebnis war erstsmals gezeigt worden, mit welchen Mitteln eine effiziente Spininjektion erreicht werden kann. Fast parallel hierzu wurde in Würzburg eine Theorie erarbeitet, die erstmals klarstellte, warum gerade dieses Experiment funktioniert hatte und warum die Experimente mit magnetischen Metallkontakte nicht klappten und auch niemals klappen würden. Im Wesentlichen ist der einfachste Weg zur Spininjektion eben genau Materialien zu verwenden, in denen alle Elektronen den gleichen Spin haben, die also 100% spinpolarisiert sind. Diese Materialien stehen in Würzburg zur Verfügung und können in der ausgedehnten Molekularstrahlepitaxieanlage mit verschiedensten anderen Halbleitermaterialien kombiniert werden. Diese Möglichkeiten bieten fast einzigartige Forschungsmöglichkeiten, und ermöglichen es der Würzburger Spintronikgruppe auf den verschiedensten Gebieten mit nationaler, europäischer, US-amerikanischer und sogar japanischer Forschungsförderung an verschiedensten Aspekten des Spintransports und der Spinmanipulation in Halbleitern zu forschen. Die Forschung erstreckt sich von der Materialforschung über einfache Bauelemente bis zu den ersten Grundbausteinen für Quantencomputer (Link).

Theorie der Spininjektion

Im Nachhinein betrachtet erscheint alles ganz einfach. Wenn ich einen Strom durch einen Halbleiter schicken will, so lege ich eine Spannung an den Halbleiter an und schon fließt er. Die Größe des Stroms bestimmt das Ohmsche Gesetz U=R*I. Wenn in einem Halbleiter der Spin stabil ist, so kann man sagen, daß Spin-up und Spin-down Elektronen kaum miteinander wechselwirken. In diesem Fall kann man den Halbleiter als aus zwei Spinkanälen mit gleicher Leitfähigkeit bestehend betrachten. Wenn man nun einen Strom durch den Halbleiter schicken will, der mehrheitlich von Elektronen einer Spinpolarisation getragen wird, so muß man dazu nur eine höhere Spannung an einen der beiden Spinkanäle anlegen. (Falls Sie ein Labornetzgerät mit getrennten Anschlüssen für Spin-up und Spin-down Elektronen besitzen, können Sie in Zukunftz viel Geld damit machen.) Dies erweist sich als schwierig, da die beiden Spinkanäle nicht getrennt kontaktierbar sind. Der einzige gangbare Weg ist, einen spinabhängigen Widerstand, respektive ein Material mit spinabhängiger Elektronenbesetzung in Reihe zu schalten, also als Kontakt zu verwenden. Hierfür bieten sich natürlich die Ferromagneten an und auf den ersten Blick sollte das einfache Konzept (Link) mit dem Halbleiter mit zwei ferromagnetischen Metallkontakten funktionieren. Bei genauerem Hinschauen ergibt sich jedoch ein kleines Problem. Auch wenn 90% der Elektronen im Magneten die gleiche Spinausrichtung haben, so verbleiben immer noch 10% mit der entgegengesetzten. Geht man nun davon aus, daß die Leitfähigkeit des magnetischen Metalls um einen Faktor 10000 größer ist als die des Halbleiters (Metalle leiten nun mal gut, was man im Allgemeinen auch zu schätzen weiß), so ergibt sich sofort, daß die beiden Spinkanäle im Halbleiter im Wesentlichen unbeeindruckt sind. Auch der Kanal im Ferromagneten, in dem weniger Elektronen sind, hat immer noch einen Widerstand, der verschwindend gering im Vergleich zu dem des Halbleiters ist. Nach dem Ohmschen Gesetz werden also weiterhin durch beide Kanäle die gleichen Ströme fließen.