Spintronische Bauelemente wie beispielsweise ein Spin-Transistor versprechen neben der höheren Energieeffizienz mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Mikroelektronik. Akutelle Rechner benötigen getrennte Geräte für die Datenspeicherung und die Datenverarbeitung. Mit Spintronics lässt sich beides in einem Bauelement vereinen, sodass auch kein Datentransfer wie heute zwischen Prozessor und Speicher mehr anfällt. Spins lassen sich außerdem nichtflüchtig speichern, benötigen also im Gegensatz zum RAM-Speicher keine Energie zum Datenerhalt.

Der Spin-Transistor besteht aus einem Gadolinium-Gallium-Granat-Substrat (GGG), einer YIG-Schicht und Pt-Elektroden. Durch einen DC-Strom lässt sich die Magnon-Dichte im magnetischen Isolator beeinflussen.

Der Spin-Transistor besteht aus einem Gadolinium-Gallium-Granat-Substrat (GGG), einer YIG-Schicht und Pt-Elektroden. Durch einen DC-Strom lässt sich die Magnon-Dichte im magnetischen Isolator beeinflussen. Ludo Cornelissen, Universität Groningen

Erstautor der am 2. März 2018 in Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit ist Ludo Cornelissen, Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Bart van Wees am Zernike Institute of Advanced Materials der Universität Groningen. Der vorgestellte Spin-Transistor basiert auf Magnonen oder Spinwellen, die nur in magnetischen Materialien vorkommen. In ihren Experimenten generierten die Forscher Magnonen in Materialien, die magnetisch, aber auch elektrisch isolierend sind. Daher sind Elektronen nicht in der Lage, durch den Magneten zu wandern, Magnonen aber schon. Mittels einer Platin-Elektrode (Injektor) lassen sich die Spinwellen in die magnetische Schicht aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) injizieren.

Spin-Transistor mit Gleichstrom steuern

Bewegt sich ein elektrischer Strom durch den Pt-Injektor, streuen die Elektronen abhängig von ihrer Spin-Ausrichtung an den schweren Platinatomen, ein Phänomen bekannt als Spin-Hall-Effekt. An der Grenzfläche zur isolierenden YIG-Schicht werden die Elektronen reflektiert und wechseln dabei ihre Spin-Richtung. Dies löst im Yttrium-Eisen-Granat einen parallelen Spin-Flip aus, der wiederum Magnonen generiert, die durch das Material wandern und sich mit einer zweiten Pt-Elektrode (Detektor) detektieren lassen. Mit einer weiteren Platin-Schicht zwischen Injektor und Detektor lassen sich nun durch einen positiven oder negativen Strom zusätzliche Magnonen erzeugen oder aus dem leitfähigen Kanalgebiet ableiten. Damit verhält sich das spintronische Bauteil praktisch wie ein Feldeffekttransistor.

Cornelissen und seine Kollegen haben gezeigt, dass die Zugabe von Magnonen den Spinstrom erhöht, während die Ableitung eine deutliche Reduktion des Stromes bewirkt, sich jedoch derzeit noch nicht vollständig abschalten lässt. Theoretische Modellierungen zeigten, dass  sich durch die Verringerung der Dicke des Bauelements die Erschöpfung der Magnonen so weit erhöhen lässt, dass der Spinstrom vollständig stoppt.

Supraleitung als weitere Option

In einem dünneren Bauelement könnte es außerdem möglich sein, die Menge der Magnonen im Kanal auf ein Niveau zu erhöhen, auf dem sie ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, ein Phänomen auf dem die Supraleitung basiert. Tritt eine Supraleitung bei herkömmlichen Anwendungen nur bei sehr tiefen Temperaturen auf, lässt sie sich hier bei Raumtemperatur erzeugen. Die Studie zeigt, dass ein YIG-Spin-Transistor herstellbar ist und dass das Material perspektivisch sogar als Basis für einen Spin-Supraleiter dienen kann.

Einer der Vorteile des vorgestellten Konzept ist, dass die Spininjektion und die Steuerung der Spinströme mit einem einfachen Gleichstrom erfolgt, sodass diese spintronischen Bauelemente mit herkömmlichen mikroelektronischen Bauteilen kompatibel sind. Die praktische Umsetzung dessen ist das nächste Ziel der Forschergruppe.