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Die '''Spintronik''' (aus den Wörtern [[Spin]] und [[Elektronik]]), manchmal auch '''Spinelektronik''' oder '''Fluxtronik''' genannt, ist ein neues Forschungsgebiet in der [[Nanoelektronik]], das sowohl Teil der [[Grundlagenforschung]] als auch besonders stark | Die '''Spintronik''' (aus den Wörtern [[Spin]] und [[Elektronik]]), manchmal auch '''Spinelektronik''' oder '''Fluxtronik''' genannt, ist ein neues Forschungsgebiet in der [[Nanoelektronik]], das sowohl Teil der [[Grundlagenforschung]] als auch besonders stark anwendungsbezogen ist. Die Spintronik basiert auf dem [[Magnetisches Moment|magnetischen Moment]] des [[Elektron]]s zur [[Informationstheorie|Informationsdarstellung]] und -verarbeitung und nicht nur auf dessen [[Elektrische Ladung|elektrischer Ladung]] wie die herkömmliche [[Halbleiterelektronik]]. | ||
Unter dem älteren Begriff [[Magnetoelektronik]] wird im Wesentlichen ebenfalls die Nutzung des [[Elektronenspin]]s zur Informationsverarbeitung verstanden. Im Gegensatz dazu ist in dem allgemeineren Begriff Spintronik jedoch u. a. die Erkenntnis enthalten, dass man Spins nicht nur mit [[Magnetismus|Magnetfeldern]], sondern z. B. auch mit [[Elektrisches Feld|elektrischen Feldern]] manipulieren kann. | Unter dem älteren Begriff [[Magnetoelektronik]] wird im Wesentlichen ebenfalls die Nutzung des [[Elektronenspin]]s zur Informationsverarbeitung verstanden. Im Gegensatz dazu ist in dem allgemeineren Begriff Spintronik jedoch u. a. die Erkenntnis enthalten, dass man Spins nicht nur mit [[Magnetismus|Magnetfeldern]], sondern z. B. auch mit [[Elektrisches Feld|elektrischen Feldern]] manipulieren kann. | ||
== Grundlagen == | == Grundlagen == | ||
Die Spintronik beruht auf der Möglichkeit der sogenannten ''Spininjektion'' in [[Halbleiter]]materialien, aber auch in [[Organische Chemie| | Die Spintronik beruht auf der Möglichkeit der sogenannten ''Spininjektion'' in [[Halbleiter]]materialien, aber auch in [[Organische Chemie|organischen]] oder [[Metalle|metallischen]] Materialien, und die Spininjektion kann z. B. vom Metall in den Halbleiter erfolgen. Mit der Spininjektion können in den genannten Materialien [[Spin-Strom|spinpolarisierte Ströme]] erzeugt werden. Diese weisen mit Betrag und Richtung des Spin[[erwartungswert]]s weitere [[Freiheitsgrad]]e auf, die als zusätzliche Eigenschaften für die Informationsdarstellung genutzt werden können. Zusätzlich können spinpolarisierte Ströme magnetische Materialien beeinflussen, wodurch beispielsweise [[Weiss-Bezirk|magnetische Domänen]] in einen anderen Zustand überführt werden können, wodurch Informationen kodiert werden können<ref>{{Literatur |Autor=Igor Žutić, Jaroslav Fabian, S. Das Sarma |Titel=Spintronics: Fundamentals and applications |Hrsg=Reviews of Modern Physics |Band=76 |Verlag=American Physical Society |Datum=2004-04-23|DOI=10.1103/RevModPhys.76.323 |Online=https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.76.323}}</ref>. | ||
== Anwendungen == | == Anwendungen == | ||
Eine Anwendung der Spintronik sind [[Festplatte]]n mit „Spinvalve“-[[Dünnschicht]]-[[Lesekopf|Leseköpfen]], die den [[GMR-Effekt]] oder [[TMR-Effekt]] nutzen. Der | Eine Anwendung der Spintronik sind [[Festplatte]]n mit „Spinvalve“-[[Dünnschicht]]-[[Lesekopf|Leseköpfen]], die den [[GMR-Effekt]] (Riesenmagnetowiderstand) oder [[TMR-Effekt]] nutzen. Der GMR-Effekt ermöglicht es, sehr kleine [[magnetische Domäne]]n zu [[Sensor|detektieren]] und so die [[Speicherkapazität|Kapazität]] von Festplatten deutlich zu steigern. Für die Entdeckung des GMR-Effektes wurde [[Albert Fert]] und [[Peter Grünberg]] 2007 der [[Nobelpreis für Physik]] verliehen. | ||
== Speichermedien: Ferromagnetismus versus Antiferromagnetismus == | == Speichermedien: Ferromagnetismus versus Antiferromagnetismus == | ||
Während man bei den gegenwärtigen Anwendungen ausschließlich mit [[Ferromagnetismus| | Während man bei den gegenwärtigen Anwendungen ausschließlich mit [[Ferromagnetismus|ferromagnetischen]] Speichermedien und Lese- bzw. Schreibköpfen arbeitet, um die genannten Effekte auszunutzen, sind seit einiger Zeit (~ 2013 bis 2014) auch [[Antiferromagnetismus|antiferromagnetische]] Materialien Gegenstand aktueller Forschungen<ref>z. B. Tomas Jungwirth, ''Ankündigung eines Kolloquiumvortrages an einer Bayerischen Universität („Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets“)'': [http://www.physik.uni-regensburg.de/aktuell/KollSS14/Kolloquium-Jungwirth.pdf]</ref>, da mit antiferromagnetischem Material die Bits 0 und 1 ebenso gut wiedergegeben werden können, wie mit ferromagnetischem Material. Statt der gewohnten Zuordnung, | ||
* 0 ↦ „Magnetisierung nach oben“ bzw. | * 0 ↦ „Magnetisierung nach oben“ bzw. | ||
* 1 ↦ „Magnetisierung nach unten“, | * 1 ↦ „Magnetisierung nach unten“, | ||
benutzt man etwa: | benutzt man etwa: | ||
* 0 ↦ „vertikal-alternierende Spinkonfiguration“ bzw. | * 0 ↦ „vertikal-alternierende Spinkonfiguration“ bzw. | ||
* 1 ↦ „horizontal-alternierende Spinkonfiguration“. | * 1 ↦ „horizontal-alternierende Spinkonfiguration“. | ||
Dies entspricht mathematisch dem Übergang von der [[Drehgruppe]] SO(3) zu der zugehörigen | Dies entspricht mathematisch dem Übergang von der [[Drehgruppe]] SO(3) zu der zugehörigen relativistischen Überlagerungsgruppe, der „Doppelgruppe“ SU(2). | ||
Die Hauptvorteile des Einsatzes von antiferromagnetischem gegenüber ferromagnetischem Material sind | Die Hauptvorteile des Einsatzes von antiferromagnetischem gegenüber ferromagnetischem Material sind | ||
# die Unempfindlichkeit gegen Streufelder und | # die Unempfindlichkeit gegen Streufelder und | ||
# die um Größenordnung kürzeren Umschaltzeiten. | # die um Größenordnung kürzeren Umschaltzeiten. | ||
== Literatur == | == Literatur == | ||
* Oliver Morsch: ''Der Spin macht es möglich''. NZZ, Nr. 2306, 6. September 2006. [ | * Oliver Morsch: ''Der Spin macht es möglich''. NZZ, Nr. 2306, 6. September 2006. [https://www.nzz.ch/articleEFQ5K-1.58203 online] | ||
* Tomasz Dietl: ''Spintronics.'' Elsevier Acad. Press, Amsterdam 2008, ISBN 978-0-08-044956-2. | * Tomasz Dietl: ''Spintronics.'' Elsevier Acad. Press, Amsterdam 2008, ISBN 978-0-08-044956-2. | ||
* David D. Awschalom: ''Spin electronics.'' Kluwer Academic, Dordrecht 2004, ISBN 1-4020-1802-9. | * David D. Awschalom: ''Spin electronics.'' Kluwer Academic, Dordrecht 2004, ISBN 1-4020-1802-9. | ||
Die Spintronik (aus den Wörtern Spin und Elektronik), manchmal auch Spinelektronik oder Fluxtronik genannt, ist ein neues Forschungsgebiet in der Nanoelektronik, das sowohl Teil der Grundlagenforschung als auch besonders stark anwendungsbezogen ist. Die Spintronik basiert auf dem magnetischen Moment des Elektrons zur Informationsdarstellung und -verarbeitung und nicht nur auf dessen elektrischer Ladung wie die herkömmliche Halbleiterelektronik.
Unter dem älteren Begriff Magnetoelektronik wird im Wesentlichen ebenfalls die Nutzung des Elektronenspins zur Informationsverarbeitung verstanden. Im Gegensatz dazu ist in dem allgemeineren Begriff Spintronik jedoch u. a. die Erkenntnis enthalten, dass man Spins nicht nur mit Magnetfeldern, sondern z. B. auch mit elektrischen Feldern manipulieren kann.
Die Spintronik beruht auf der Möglichkeit der sogenannten Spininjektion in Halbleitermaterialien, aber auch in organischen oder metallischen Materialien, und die Spininjektion kann z. B. vom Metall in den Halbleiter erfolgen. Mit der Spininjektion können in den genannten Materialien spinpolarisierte Ströme erzeugt werden. Diese weisen mit Betrag und Richtung des Spinerwartungswerts weitere Freiheitsgrade auf, die als zusätzliche Eigenschaften für die Informationsdarstellung genutzt werden können. Zusätzlich können spinpolarisierte Ströme magnetische Materialien beeinflussen, wodurch beispielsweise magnetische Domänen in einen anderen Zustand überführt werden können, wodurch Informationen kodiert werden können[1].
Eine Anwendung der Spintronik sind Festplatten mit „Spinvalve“-Dünnschicht-Leseköpfen, die den GMR-Effekt (Riesenmagnetowiderstand) oder TMR-Effekt nutzen. Der GMR-Effekt ermöglicht es, sehr kleine magnetische Domänen zu detektieren und so die Kapazität von Festplatten deutlich zu steigern. Für die Entdeckung des GMR-Effektes wurde Albert Fert und Peter Grünberg 2007 der Nobelpreis für Physik verliehen.
Während man bei den gegenwärtigen Anwendungen ausschließlich mit ferromagnetischen Speichermedien und Lese- bzw. Schreibköpfen arbeitet, um die genannten Effekte auszunutzen, sind seit einiger Zeit (~ 2013 bis 2014) auch antiferromagnetische Materialien Gegenstand aktueller Forschungen[2], da mit antiferromagnetischem Material die Bits 0 und 1 ebenso gut wiedergegeben werden können, wie mit ferromagnetischem Material. Statt der gewohnten Zuordnung,
benutzt man etwa:
Dies entspricht mathematisch dem Übergang von der Drehgruppe SO(3) zu der zugehörigen relativistischen Überlagerungsgruppe, der „Doppelgruppe“ SU(2).
Die Hauptvorteile des Einsatzes von antiferromagnetischem gegenüber ferromagnetischem Material sind