Spintronik für künftige energieeffiziente Informationstechnologien: Spin-Ströme in Topologischen Isolatoren kontrolliert
Die Skizze zeigt die charakteristische Spin-Ausrichtung (Pfeile) von Elektronen in einem topologischen Isolator (unten). Ein zirkular polarisierter Laserpuls dreht die Spins aus der Oberflächenebene der Probe heraus (Mitte). Dies lässt sich mit einem linear polarisierten zweiten Puls nachweisen (oben).
Ein internationales Team um den HZB-Forscher Jaime Sánchez-Barriga hat gezeigt, wie sich in Proben aus einem Topologischen Isolator-Material spinpolarisierte Ströme gezielt in Gang setzen lassen. Zudem konnten sie die Ausrichtung der Spins in diesen Strömen kontrollieren. Damit demonstrierten sie, dass sich diese Materialklasse dafür eignet, mithilfe von Spins Daten zu verarbeiten. Die Arbeit ist in der renommierten Zeitschrift Physical Review B erschienen und wurde als "Editor's Suggestion" ausgezeichnet.
Künftige Informationstechnologien sollen Daten mit deutlich weniger Einsatz von Energie verarbeiten. Eine spannende Materialklasse dafür sind Topologische Isolatoren. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Elektronen an der Oberfläche extrem beweglich sind und das Material dort leitfähig ist. Im Innern ist es dagegen ein Isolator, dort leitet es keinen Strom.
Da Elektronen gleichzeitig auch ein magnetisches Moment tragen (Spin), könnten Topologische Isolatoren auch „spintronische“ Bauelemente ermöglichen: diese basieren nicht mehr wie Halbleiterbauelemente auf der Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen, sondern auf dem Transport oder der Manipulation ihrer Spins. Um damit zu schalten, wird deutlich weniger Energie benötigt.
Nun hat ein internationales Team um den HZB-Physiker Jaime Sánchez-Barriga gezeigt, wie sich in Topologischen Isolatoren die Spins der Elektronen ausrichten und kontrollieren lassen. Sie untersuchten Proben aus dem Topologischen Isolator Antimon-Tellurid mit zirkular polarisiertem Laserlicht. Über die „Drehrichtung“ des Laserlichts konnten sie Elektronen-Ströme mit parallel ausgerichteten Spins (spinpolarisiert) gezielt in Gang setzen und lenken. Zudem gelang es ihnen, die Ausrichtung der Spins zu verändern. Am Team waren Experimentatoren vom Berliner Max-Born-Institut, der Lomonossow Universität Moskau und Theoretiker von der LMU München beteiligt. Die Arbeit ist in der renommierten Zeitschrift Physical Review B erschienen und wurde als "Editor's Suggestion" ausgezeichnet.
„Wenn man magnetisch dotierte topologische Isolatoren verwenden würde, könnte man die Spininformation vermutlich auch speichern“, erklärt Oliver Rader, der am HZB die Abteilung für grüne Spintronik leitet. „Um das zu untersuchen und dabei auch insbesondere das dynamische Verhalten der magnetischen Momente zu erkunden, werden aber ultrakurze
Lichtpulse im weichen Röntgenbereich benötigt. Mit dem geplanten Upgrade der Synchrotronquelle BESSY II zu BESSY VSR können solche Experimente in Zukunft zum Standard werden.“
Zur Publikation:
Ultrafast spin-polarization control of Dirac fermions in topological insulators, J. Sánchez-Barriga, E. Golias, A. Varykhalov, J. Braun, L. V. Yashina, R. Schumann, J. Minár, H. Ebert, O. Kornilov, and O. Rader
Phys. Rev. B 93, 155426
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.93.155426
Link zur Besprechung in PhysRevB (Editor's Suggestion)
- Grüner Wasserstoff: Ultradünne Nickeloxidschichten erweisen sich als überlegenUltradünne Nickeloxid-Beschichtungen können die Leistung von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran (AEM) deutlich verbessern. Dies hat ein Team um Dr. Michelle Browne nachgewiesen: Eine nur 10 Nanometer dicke Nickeloxidschicht übertrifft dabei die Leistung von herkömmlichen Nickeloxid-Pulverelektroden, benötigt dabei jedoch weniger als 1 % des Katalysatormaterials. Die Studie ist im „Journal of Materials Chemistry A“ veröffentlicht.
- Erstmals gesicherte Zahlen: Investitionen in BESSY lohnen sich für Berlin und DeutschlandEine Wirkungsanalyse des DIW Econ zeigt den wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Wert von BESSY II. Jeder investierte Euro bringt Deutschland drei Euro ein, dem Land Berlin sogar zehn Euro. Darüber hinaus gibt die Studie eine wirtschaftliche Prognose zum Bau von BESSY III.
Die Wirkungsanalyse wurde am 3. September 2026 an Dr. Henry Marx, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung im Berliner Senat übergeben. Er befürwortet Investitionen und setzt sich mit Nachdruck für BESSY III ein. - BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von KupferBevor sich reines Kupferoxid bildet, entstehen komplexe Superstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen wie „29“CuxO. Einblicke in diese „29“-CuxO-Superstruktur sind relevant für die Katalysatorforschung und den Korrosionsschutz bei der Entwicklung von Kupferbehältern für Endlager für radioaktive Abfälle.