TUM-Forscher entwickeln neuartigen Feldeffekttransistor
Informationstechnologie: Ein wichtiger Schritt zur Elektronik mit Spins
Die Spinelektronik setzt sich zum Ziel, die Verarbeitung und Codierung von Informationen nicht nur auf Basis von elektronischer Ladung durchzuführen, sondern auch unter Ausnutzung des Spins, d.h. der Eigenrotation von Elektronen und Atomkernen. Am Garchinger Walter Schottky Institut der Technischen Universität München (TUM) wurde ein raffinierter neuartiger Feldeffekttransistor entwickelt, in dem es in einer Kooperation mit Wissenschaftlern des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung erstmals gelungen ist, die Wechselwirkung von Elektronen- und Kernspins zu studieren und gezielt zu manipulieren. Über die Ergebnisse berichtet die Fachzeitschrift Nature in ihrer Ausgabe vom 17. Januar 2002.
Die vorgestellten Ergebnisse bereiten den Weg zur Umsetzung von neuen Konzepten der Informationstechnologie und eröffnen Perspektiven zur Erforschung von Kern- und Elektronenspins in Nanostrukturen. Der Spin, eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen wie Elektronen und Atomkernen, besitzt zwei Zustände und kann vereinfacht als Rotation im oder entgegen dem Uhrzeigersinn um die eigene Achse veranschaulicht werden. Diesen Charakterzug für die Informationsverarbeitung, auf dem binären System aufgebaut, auszunützen liegt nahe.
Noch spekulativer ist die Nutzung der Spineigenschaften für Quantencomputer. Um mit Hilfe von Spins geeignete Bauelemente für binäre Schaltvorgänge entwickeln zu können, müssen zunächst die mikroskopischen Wechselwirkungen von Kern- und Elektronenspins eingehend untersucht und Methoden zur Manipulation, Speicherung und Löschung des Spinzustandes erdacht werden.
Voraussetzung für die kontrollierte Veränderung von Spinzuständen ist deren lange Lebensdauer. Dazu sind spezielle kristallin perfekte Bauelemente aus sehr reinen Materialen erforderlich. Rainer A. Deutschmann entwickelte am Walter Schottky Institut der TUM zusammen mit seinen Kollegen vom Lehrstuhl für Experimentelle Halbleiter Physik (Prof. Gerhard Abstreiter) einen neuartigen vertikalen Transistor, der hinsichtlich dieser Bedingungen optimiert ist. Unter Verwendung der Molekularstrahlepitaxie, einem Verfahren zum Abscheiden von Halbleiterschichten mit atomarer Genauigkeit und der Methode des Überwachsens der Spaltfläche, wurde dieser neuartige Transistor realisiert.
Jurgen Smet vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart führte in der Folge die wegbereitenden Untersuchungen an diesem Transistor durch. Er machte sich einen speziellen Effekt des Quanten-Hall-Zustandes (Nobelpreise 1985 und 1998) zu Nutze und konnte dadurch die Stärke der Wechselwirkung zwischen Elektronen- und Kernspins über eine einfache Widerstandsmessung bestimmen und gezielt steuern. Durch zeitliche Folgen aus Veränderungen von äußerem Magnetfeld und Steuerspannung des Transistors war er in der Lage, die elementaren Schaltvorgänge eindeutig zu demonstrieren. Dabei konnte gezielt der Spin aus dem Elektronen- in das Kernsystem und umgekehrt transferiert werden.
Die Arbeit ermöglicht ein besseres Verständnis der mikroskopischen Kernspin-Elektronenspin-Wechselwirkung und zeigt, dass auch der Kernspin für zukünftige Bauelemente der Spinelektronik in Frage kommt.
Kontakt:
Prof. Gerhard Abstreiter
Walter Schottky Institut der TU München
Tel. (089) 289-12770
Fax (089) 320 6620
E-Mail: abstreiter@wsi.tum.de
