Forschungszentrum Jülich bändigt Elektronenspins im Terahertzbereich

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Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, kontrolliert extrem kurze und schnelle Pulse aus Spin-Strömen zu erzeugen. Mit diesen schnellen Veränderungen der Elektronen-Drehrichtung lassen sich Daten schneller und effektiver bearbeiten als in heutigen Rechnern.

In einem Artikel zum Quanten-Computing im Wissenschaftsmagazin “Nature” mit dem Titel “Terahertz spin current pulses controlled by magnetic heterostructures” erklären Forscher aus Deutschland und Schweden, wie sie es gemeinsam schafften, durch die gezielte Kombination von magnetischen und nichtmagnetischen Metallen Spinstrom-Impulse im Terahertz-Frequenzbereich zu erreichen, also in einer Geschwindigkeit von 10 hoch 12 Vorgängen pro Sekunde.

Damit rückt das Quanten-Computing ein Stück näher, denn statt magnetische Zustände oder Elektronen-Aufladung/Nichtaufladung zu erzeugen, muss die Technik die “Spins” der elektrischen Partikel verändern – und das geht schneller als die Nutzung herkömmlicher Mittel.

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Skizze: Laserpulse führen einem magnetischen Eisenfilm (grün) Energie zu. Dies erzeugt Spinstrompulse in der zweiten, nichtmagnetischen Schicht des Systems (blau), weil Elektronenspins in Abhängigkeit von ihrer Orientierung (orange Pfeile: “Up”, blaue Pfeile: “Down”) unterschiedlich häufig in diese Schicht übertreten (Quelle: Forschungszentrum Jülich).

Die Daniel Düsentriebs der Computertechnik belichteten ein nur wenige Nanometer dickes Schichtsystem aus Metallen mit 20 Femtosekunden kurzen Laserpulsen – das entspricht einer 20 Billiardstel Sekunde. “Die Lichtblitze führen den Elektronen in einer Eisenschicht Energie zu, wodurch ein Teil der Spins kurzzeitig in die Nachbarschicht aus Gold oder Ruthenium wechselt – ein Spinstrompuls entsteht”, freuen sich die Wissenschaftler über ihren Durchbruch.

Natürlich ist der gesamte Vorgang noch ein wenig komplizierter als hier in kurzen Worten dargestellt, doch “unsere Ergebnisse zeigen einen gangbaren Weg auf, um ultraschnelle Bauteile mittels Spintronik zu entwickeln”, schreibt Professor Yuriy Mokrousov, Leiter der “Topologischen-Nanoelektronik-Gruppe”.

Die Gruppe plant nun, die Materialauswahl weiter zu verfeinern, um aus den Spinstrompulsen noch stärkere Terahertz-Signale zu erzeugen. Außerdem planen die Forscher, die Physik der Spinströme bei ultrahohen Frequenzen weiter zu erforschen. Ziel ist es, den Verlauf der Terahertz-Signale besser einstellen zu können.

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