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Spintronik - Die Suche nach magnetischen Halbleitern

Halbleiter, die bei Raumtemperatur magnetisch werden, sind Hoffnungsträger im Bereich der Spintronik: Sie sollen die Computertechnologie entscheidend voranbringen. Eine neue Methode könnte nun helfen, diese Materialien zu designen. Während die Halbleitertechnik auf die elektrische Ladung der Elektronen setzt, soll die Spintronik Daten auf der Grundlage des sogenannten Elektronenspins verarbeiten. Diese quantenmechanische Eigenschaft, im klassischen Sinne auch als Eigendrehimpuls bezeichnet, erzeugt ein magnetisches Moment mit zwei möglichen Ausrichtungen, die zur Speicherung von Informationen genutzt werden können. Eine Vielzahl möglicher Anwendungen sind etwa in der Computerindustrie denkbar, darunter die schnellere und effizientere Speicherung und Verarbeitung von Daten - auf noch kleinerem Raum.

 

Einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern am US-amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory der University of California Davis ist es nun erstmals in Galliummanganarsenid gelungen, die Energie der Elektronen zu bestimmen, die die magnetische Eigenschaft dieser Verbindung ausmachen. Grundlage für die Untersuchung waren Proben von Galliumarsenid und Galliummanganarsenid, die mit Hilfe der sogenannten winkelaufgelösten Photoemissionspektroskopie untersucht wurden.

Studie am leisstungsstärksten Synchrotron

Die Studie wurde an einer der stärksten Synchrotronanlagen der Welt, dem "SPring-8" in Japan, und in Kooperation von mehreren experimentellen Forschungsgruppen aus Deutschland, den USA, Italien und Japan durchgeführt. Nur an großen Synchrotronanlagen wie dem japanischen Gerät können Photonen mit ausreichender Brillanz erzeugt werden, um eine ausreichende Menge an Photoelektronen zu erzeugen, die wegen ihrer hohen Energie so tief aus den Materialproben ausdringen können, dass die Messungen nicht nur auf wenige oberflächennahe Atomschichten beschränkt sind. Dies hatte eine Kooperation von LMU-Forschern mit Kollegen aus Jülich und Berkeley in einer vorangegangenen Arbeit gezeigt.

Bei der aktuellen Studie nun steuerten die LMU- Physikochemiker Dr. Jan Minar, apl. Professor Jürgen Braun und Professor Hubert Ebert das theoretische Rüstzeug bei: "Die spektroskopischen Berechnungen wurden im Rahmen des sogenannten Einstufenmodells durchgeführt", sagt Ebert, dessen Gruppe das zugrundeliegende Programm entwickelt hat. "Eine derartige Kombination aus elektronischer Strukturrechnung und theoretischer Photoemission erlaubt einen echten direkten Vergleich mit den entsprechenden experimentellen Daten."

Den Ursprung des Magnetismus finden

Wie schon bei früheren Anwendungen brachte auch hier dieser Ansatz den Erfolg: "Die hervorragende Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment lieferte die Antwort auf die kontrovers diskutierte Frage, wie der Magnetismus in einem der wichtigsten magnetischen Halbleiter bei tiefen Temperaturen entsteht", so Minar. Ein Ergebnis, das nun - so hoffen die Forscher - durch die Kombination aus Theorie und der neuen experimentellen Methode die gezielte Suche nach Halbleitern erlauben wird, die bei Raumtemperatur magnetisch sind.

Bislang können Halbleiter - wenn überhaupt - nur bei sehr tiefen Temperaturen dauerhaft magnetisch gemacht werden, was technische Anwendungen aber nicht erlaubt. Normale Halbleiter, die mit Hilfe weniger magnetischer Atome auch bei Raumtemperatur selbst magnetisch gemacht werden können, gab es aber bislang nicht. "Weil die Quelle des Magnetismus in diesen Materialien unklar war, konnten sie auch nicht weiter entwickelt und genutzt werden", so Braun. "Der neue Ansatz hat damit eine wichtige Hürde im Bereich der Spintronik überwunden."