Energiesparender Spin-Strom über magnetisches Feld und Temperatur steuerbar

SCMR-Effekt vereinfacht Design grundlegender spintronischer Komponenten

20.08.2018

Der Schritt von der Glühbirne hin zur LED hat den Stromverbrauch durch Beleuchtung drastisch nach unten geschraubt. Schließlich verpuffte bei der Glühlampe ein Großteil des Stroms als Wärme. Ein ähnlicher Schritt könnte künftig bei elektronischen Komponenten in Computern anstehen. Bislang werden diese mit elektrischem Strom betrieben, wobei unerwünschte Wärme entsteht. Würde man stattdessen Spin-Strom nutzen, könnte man Computer und Co. deutlich energiesparender betreiben. Dr. Olena Gomonay von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und ihr Team haben nun gemeinsam mit Prof. Eiji Saitoh vom Advanced Institute for Materials Research (AIMR) der Tohoku University in Japan und seiner Arbeitsgruppe einen Effekt entdeckt, der einen solchen Wechsel auf Spin-Strom ermöglichen könnte. Dieser Effekt vereinfacht das Design von grundlegenden spintronischen Komponenten deutlich.

Fasst man an einen Computer, der bereits einige Zeit läuft, so spürt man sie: Wärme. Diese entsteht als – unerwünschter – Nebeneffekt durch den elektrischen Strom. Unerwünscht daher, weil die Erzeugung der Wärme natürlich ebenfalls Energie verbraucht. Man kennt diesen Effekt noch von der Glühbirne: Sie wurde im Laufe von Stunden so heiß, dass man sich daran die Finger verbrennen konnte. Denn die Glühbirne wandelte nur einen Bruchteil der benötigten Energie in das erwünschte Licht um. Anders ist es bei LEDs, bei denen nahezu die gesamte Energie ins Leuchten geht, weshalb sie auch nicht heiß werden. LEDs sind somit deutlich energiesparender als die althergebrachte Glühlampe.

Würde man beim Computer statt des elektrischen Stroms, der auf geladenen Teilchen beruht, einen Strom von Teilchen nutzen, die einen Spin ungleich null haben, kann man das Material auf die gleiche Weise manipulieren und damit die Rechenleistung erzeugen. Der große Unterschied: Es entsteht keine Wärme, die Prozesse wären deutlich energiesparender. Dr. Olena Gomonay von der JGU hat nun gemeinsam mit Prof. Eiji Saitoh von der Tohoku University die Basis dafür gelegt, solche Spin-Ströme einsetzen zu können. Genauer gesagt: Sie haben die Idee der Spin-Ströme genutzt und auf ein bestimmtes Material angewendet. Gomonay vergleicht die Spin-Ströme dabei mit der Arbeitsweise unseres Gehirns: "Im menschlichen Gehirn verarbeiten wir unzählige Informationen – erhitzen tut es sich dabei nicht. Die Natur ist uns also weit voraus."Diesem Vorbild eifert das Mainzer Team nach.

Drastische Änderung des Stromflusses

Wie gut Spin-Ströme fließen, hängt vom Material ab – ebenso wie beim elektrischen Strom. Während Spin-Ströme in ferromagnetischen Materialien jederzeit fließen können, wechseln sich in antiferromagnetischen Materialien Zustände mit niedrigem Widerstand mit solchen mit hohem Widerstand ab. "Wir haben nun eine Möglichkeit gefunden, die Spin-Ströme über ein magnetisches Feld und die Temperatur zu steuern – also den Widerstand eines antiferromagnetischen Systems hinsichtlich des Spins zu kontrollieren", fasst Dr. Olena Gomonay ihre Ergebnisse zusammen.

Bei einer Temperatur, die nah an der Phasenumwandlungstemperatur liegt, applizierten Gomonay und ihr Team ein kleines magnetisches Feld auf das Material. Während das angelegte Magnetfeld die Orientierung der Spins so ändert, dass sie leicht durch das Material transportiert werden können, hat die Temperatur gleich zwei Effekte. Zum einen bewirkt eine höhere Temperatur, dass sich mehr Teilchen des Materials in angeregten Zuständen befinden, es gibt also mehr Spin-Träger, die transportiert werden können – der Spin-Transport wird einfacher. Zum anderen sorgt die hohe Temperatur dafür, dass man mit einem geringen Magnetfeld auskommt.

Das Ergebnis: Der Widerstand – und damit der Stromfluss – ändert sich drastisch, um mehrere Größenordnungen. "Dieser Effekt, den wir 'spin colossal magnetoresistance' oder kurz SCMR nennen, hat das Potenzial, das Design von grundlegenden spintronischen Komponenten deutlich zu vereinfachen", so die Mainzer Wissenschaftlerin. Interessant ist das unter anderem für Speichermaterialien, also beispielsweise für Festplatten. Mithilfe dieses Effekts lassen sich beispielsweise Spin-Strom-Schalter realisieren ebenso wie Spin-Strom basierte Speichermedien.