Magnetismus mit atomarer Präzision

Seit Jahren gilt die so genannte Spintronik als eine der möglichen Technologien für leistungsstärkere künftige Rechner. Die Idee dahinter: Die digitale Information wird nicht von den Ladungen der Elektronen in einem Transistor transportiert, sondern von ihrem Spin. Diese häufig auch als Eigendrehimpuls bezeichnete quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen ist für deren magnetisches Moment verantwortlich und wird in heutigen Festplatten bereits bei der Speicherung von Daten genutzt. Spintronische Transistoren sind hingegen bislang nicht über das Konzeptstadium hinausgekommen. Was fehlt, ist ein geeignetes magnetisches Halbleitermaterial.

Vielleicht nicht mehr lange dank eines Durchbruchs, den US-Physiker geschafft haben: Sie können den in DVD-Lasern oder Handys genutzten Leistungshalbleiter Galliumarsenid, nachdem er mit Mangan verunreinigt („dotiert“) worden ist, erstmals mit atomarer Präzision magnetisieren. „Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops können wir ein einzelnes Atom aus dem Substrat heraus nehmen und es durch ein einzelnes Manganatom ersetzen, das dem Halbleiter dann seine magnetischen Eigenschaften verleiht“, sagt Ali Yazdani, Physiker an der Universität Princeton.

Dazu werden zunächst weitere Manganatome auf der Oberfläche des Halbleiters aufgebracht, die mit dieser nur locker verbunden sind und sich mit dem Rastertunnelmikroskop verschieben lassen. Ein Spannungsstoß in dessen Spitze kann dann ein einzelnes Manganatom in den Halbleiter hineindrücken, wobei ein Galliumatom an die Oberfläche entweicht (siehe Grafik). Dazu ist allerdings größte Präzision nötig: Wenn die Spitze nicht richtig positioniert ist, flutscht das Manganatom auf der Oberfläche einfach zur Seite.

Bei einer erfolgreichen Injektion tritt dann, wenn das Atom etwa einen Nanometer von einem bereits vorhandenen Manganatom entfernt an einer bestimmten Position im Kristallgitter des Halbleiters sitzt, ein bisher nicht beobachteter Effekt auf: Die Elektronenspins der beiden Atome koppeln aneinander. Es ist diese Kopplung, die das dotierte Galliumarsenid in einen Ferromagneten verwandelt – in ein Material, dass unterhalb einer bestimmten Temperatur (der Curie-Temperatur) permanent magnetisch ist, weil sämtliche Elektronenspins dieselbe Ausrichtung haben, im Fachjargon „polarisiert“ sind.

Die Idee, auf diesem Phänomen einen Transistor aufzubauen, kann man sich am Bild einer Militärkolonne verdeutlichen, in der alle Soldaten in dieselbe Richtung schauen. So, wie auf Befehl eines Offiziers alle gleichzeitig den Blick in eine andere Richtung wenden, kehrt sich sich die Spinpolarisierung schlagartig um, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird. Die Elektronenspins klappen kollektiv in dessen Richtung um.

Diesen Effekt könnte man auch in einem Transistor erzielen, durch den ein spinpolarisierter Strom fließt. Wenn an die Gatterelektrode – die normalerweise nur den Schalter für „Strom ein“ oder „Strom aus“ darstellt – eine elektrische Spannung angelegt wird, spüren die rasend schnell unter dem Gatter hindurch fließenden Elektronen aufgrund der Relativitätstheorie auch ein magnetisches Feld. Das ändert dann die Spinpolarisierung. Ohne Anlegen einer Spannung bleibt sie unverändert. Von der Ausrichtung der Polarisierung hängt dann ab, ob der Strom aus dem Transistor hinausfließen kann oder nicht. Damit trägt er zur Informationsverarbeitung in einem Schaltkreis bei.

So weit die Theorie. In der Praxis gab es bislang ein Problem. Zwar war seit 1996 bekannt, dass Galliumarsenid durch die Verunreinigung mit Mangan ferromagnetisch wird. Aber zum einen war der Effekt zu schwach, weil die Manganatome statistisch regellos im Kristallgitter sitzen. Zum anderen war die Curie-Temperatur mit –88 Grad Celsius zu niedrig für eine technisch sinnvolle Nutzung. Die Forscher haben ihre Versuche bei –269 Grad Celsius (4 Kelvin), dazu noch im Ultrahochvakuum, durchgeführt. Allerdings ist bekannt, dass sie steigt, je mehr Manganatome und – als Begleiterscheinung – elektronische Löcher im Halbleitermaterial vorhanden sind.

Bislang gab es nur Vermutungen darüber, dass auch der genaue Ort und der Abstand der Manganatome die Stärke des Ferromagnetismus in Gallium-Mangan-Arsenid beeinflussen. „Aber das ist der experimentell klare Hinweis auf dieses Phänomen“, urteilt Claus Michael Schneider, Physiker am Center of Nanolectronic Systems for Information Technology (CNI) in Jülich. „Damit hat man eine Voraussetzung für eine mögliche Anwendung magnetischer Halbleiter in der Spintronik geschaffen. Das wird neue Ideen zur Materialentwicklung liefern.“ Hier könnte sich auch ein Weg öffnen, die für eine technische Nutzung entscheidende Curie-Temperatur dieses oder ähnlicher Materialen in den Zimmtertemperatur-Bereich treiben, vermutet Schneider.

„Mit Hilfe der Spintronik könnte die Verarbeitung und Speicherung in ein und demselben Computerchip erfolgen, nicht getrennt in CPU und Festplatte wie derzeit üblich. Die Datenverarbeitung könnte sich dadurch beschleunigen und weniger Energie verbrauchen“, sagt Michael Flatté von Universität Iowa, der an der Arbeit beteiligt war. „Das Ergebnis wären viel kleinere und stromsparendere Rechner.“ (nbo)