Spintronics: Neue Elektronik dank Helium

Der Begriff Spin ist der Begriff, der in den 1920er Jahren gewählt wurde, um eine intrinsische Quanteneigenschaft eines Elementarteilchens zu bezeichnen. Eine etwas abstrakte Eigenschaft, da es in der Quantenphysik so viel gibt. Rotation übersetzt also keine Rotationsbewegung in dem Sinne, in dem sie in der klassischen Mechanik im Alltag verstanden wird. Er steht aber ebenso in Beziehung zum spezifischen Drehimpuls des Teilchens und repräsentiert damit die Eigenschaften seiner Rotation. Und wenn Physiker von Spinpolarisation sprechen, meinen sie hauptsächlich den Grad, in dem der betreffende Spin in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist.

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Forscher der University of St Andrews (UK) zeigen nun, wie Helium die Polarisation von Elektronen beeinflussen kann. Die Entdeckung ist wichtig, weil die Fähigkeit, die Spinpolarisation von Elektronen zu charakterisieren und zu kontrollieren, einer der Schlüssel zu dem als Spintronik bekannten Gebiet ist, einer neuen Elektronik, die sich nicht mehr hauptsächlich auf die elektrische Ladung eines Elektrons verlässt. und auf seine Verschiebung, sondern auf seine magnetischen Eigenschaften und seine Rotation. Wissenschaftler glauben, dass x-electronics eine Technologie ist, die die Datenübertragung und -speicherung revolutionieren und zum Design neuer Computerprozessoren führen könnte.

Die Idee zum möglichen Einfluss von Helium auf die Elektronenpolarisation von X kam den Forschern durch das Missgeschick eines Doktoranden. versucht, mit einem neuartigen Tunnelmikroskop (STM, für Rastertunnelmikroskop), das zuvor von Kollegen gewonnene Bild der magnetischen Anordnung in einer Probe von Eisentellurid. Es hat nie funktioniert.

Fehler und Entdeckung

Diese Art von Bild ist jedoch nicht die schwierigste zu erhalten. Es reicht aus, die Spitze des Geräts nahe genug – etwa ein Milliardstel Meter zu verstehen – an die Oberfläche der Probe zu bringen. Dann beginnen die Elektronen zwischen diesem Punkt und der Probe zu „springen“. Bewegen Sie dann die Spitze über die Oberfläche und Sie können ein atomares Bild davon erhalten. Mit einer Magnetspitze liefert das STM nach dem gleichen Prinzip ein Bild der magnetischen Anordnung der Probe.

Angesichts der Schwierigkeiten des Doktoranden vermuteten die Forscher schnell einen Defekt am Tunnelmikroskop. Tatsächlich beobachteten sie ein Leck von flüssigem Helium mit dem Ziel, das Experiment zu kühlen. Durch ein Leck gelangte flüssiges Helium direkt in die Dosierkammer. Physiker haben den Defekt behoben. Aber um wirklich sicherzustellen, dass das Problem mit Helium lag, injizierten sie es absichtlich in die Umkleidekabine des STM. Sie riskieren immer noch einfach, die Spitze ihres Geräts zu zerstören. Denn die zur Kontrolle seiner Position erforderlichen hohen Spannungen können zu Entladungen führen, die die Spitze „verbrennen“. Das ist zum Glück nicht passiert. Auf der anderen Seite konnten die Forscher bestätigen, dass die Heliuminjektion das STM völlig unfähig machte, magnetische Ordnung zu erkennen.

Durch Variation der Spannung, die zwischen der Spitze des Tunnelmikroskops und ihrer Probe angelegt wurde, konnten die Physiker Heliumatome dort herausschleudern, wo sie gefangen zu sein schienen. Genauer gesagt zwischen Rand und Probe. Diese Spannung hängt jedoch von der spezifisch vorhandenen magnetischen Wechselwirkung zwischen der Spitze und der Probe ab. Durch die genaue Messung konnten die Forscher eine reale Karte der magnetischen Austauschwechselwirkungen und der beteiligten magnetischen Kräfte erstellen.

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Das Prinzip eines Tunnelmikroskops, das es ermöglicht, Moleküle und Atome zu sehen: Die Spitze (STM-Sonde) tastet die Oberfläche der Probe ab und nützliche Informationen liefert ein Tunnelstrom, der an der Grenzfläche durch die Bewegung freier Elektronen erzeugt wird, die aus der Oberfläche.

Nachuntersuchungen

Mit diesen Experimenten konnten Physiker der University of St Andrews zeigen, dass durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die Probe – und damit an Helium – es möglich wurde, die Spinpolarisation des Tunnelstroms zu steuern. die durch Elektronen erzeugt wird, die zwischen der Spitze des STM und der Probe „springen“. Diese Methode könnte zur Entwicklung neuer spintronischer Bauelemente führen. Aber es braucht noch mehr Tests.

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Den Wunsch, es zu testen, wecken die Forscher bereits, indem sie exotische Quantenmaterialien – zum Beispiel frustrierte magnetische Systeme, in denen unterschiedliche magnetische Wechselwirkungen konkurrieren – mit komplexen magnetischen Phasen untersuchen. Letztere sind in der Regel dielektrisch und können daher nicht direkt unter einem Rastertunnelmikroskop beobachtet werden. Um das Problem zu umgehen, wollen die Physiker Schichten dieser exotischen Materialien auf einem Metallsubstrat wachsen lassen, damit Elektronen die Isolierschicht passieren können. Durch das Aufbringen einer Heliumschicht auf die isolierende Oberfläche hoffen sie, Quantenmagnetismus erkennen zu können, der sonst nicht nachweisbar wäre.