Spintronik

Die Spintronik (aus den Worten Spin und Elektronik), manchmal auch Spinelektronik oder Fluxtronik genannt, ist ein neues Forschungsgebiet in der Nanoelektronik, das sich noch in der Entwicklung befindet (siehe Grundlagenforschung). Sie nutzt das magnetische Moment des Elektrons zur Informationsdarstellung und -verarbeitung und nicht nur dessen Ladung wie die herkömmliche Halbleiterelektronik.

Grundlagen

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

Unter dem älteren Begriff Magnetoelektronik wird im Wesentlichen dasselbe verstanden, allerdings ist in dem allgemeineren Begriff Spintronik unter anderem auch die Erkenntnis enthalten, dass man Spins nicht nur mit Magnetfeldern, sondern z. B. auch mit elektrischen Feldern manipulieren kann.

Anwendungen

Es besteht die Aussicht, dass Bauelemente, die nur den Spin des Elektrons schalten, deutlich schneller sein können als herkömmliche, die auf dem Ladungstransport beruhen. Außerdem würde der Vorgang weniger Energie benötigen als ein vergleichbarer Ladungstransport mit gleichem Informationsinhalt. Ferner könnten Rechner fast unmittelbar nach dem Einschalten die benötigte Information vollständig bereithalten, da diese direkt am Prozessor aufbewahrt werden könnte und der aufwendige Vorgang, den Rechner „hochzufahren“ (Boot-Vorgang ), wesentlich verkürzt werden könnte.

Falls die Technologie der Spintronik auch industriell tragfähig wird, hätte sie den wesentlichen Vorteil, dass für sie ein großer Teil der heutigen Fertigungstechnik für Halbleiter genutzt werden könnte.

Eine Anwendung der Spintronik ist bereits in gängigen Produkten verfügbar: Neue Festplattentypen haben „Spinvalve“-Dünnschicht-Leseköpfe, die den Riesenmagnetowiderstand nutzen. 2007 wurde für dessen Entdeckung Albert Fert und Peter Grünberg der Physik-Nobelpreis verliehen. Der Riesenmagnetowiderstand ermöglicht es, sehr kleine magnetische Domänen zu detektieren, wodurch die Kapazität von Festplatten deutlich gesteigert werden kann.

Auch als Technologie für Quantencomputer wird die Spintronik diskutiert. Quantencomputer wären wegen ihrer Besonderheiten wesentlich leistungsfähiger bei der Faktorisierung großer Zahlen. Die Technologie der Spintronik könnte ferner erheblichen Einfluss auf die Kryptographie haben.

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

• Heuslersche Legierung
• Schottky-Kontakt bei der Injektion spinpolarisierter Ladungsträger vom Metall zum Halbleiter
• Quanten-Hall-Effekt
• Spin-Strom
• Spin-Hall-Effekt
• Rashba-Effekt
• Luttingerflüssigkeit
• Elektronenspinresonanz (ESR)
• Kernspinresonanz (NMR)
• Josephson-Effekt
• Fluxon

Speichertechnologien

• AMR-Effekt, GMR-Effekt, TMR-Effekt, CMR-Effekt
• Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM), Ferroelectric Random Access Memory (FRAM)

Weblinks

• Spintronik ausführlich auf Welt der Physik
• Mit Mini-Magneten ist zu rechnen – Spintronik: Ein Dreifach-Gatter als digitaler Universalbaustein Telepolis
• Fortschritt in der Silizium-Spintronik – Heise Newsticker
• Spinelektronik.de
• Spinelektronik – Artikel mit einer kurzen Einführung (PDF-Datei; 128 kB, zugriff=15.März 2010)
• Spinelektronik – Skriptum des Walther-Meißner-Instituts in München (PDF-Datei; 2,41 MB,zugriff=15.März 2010)