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Spintronik Die aus den Wörtern Spin und Elektronik manchmal auch Spinelektronik oder Fluxtronik genannt ist ein modernes

Spintronik

Die Spintronik (aus den Wörtern Spin und Elektronik), manchmal auch Spinelektronik oder Fluxtronik genannt, ist ein modernes Forschungsgebiet, das sowohl Teil der Grundlagenforschung (Festkörperphysik, Nanotechnologie) als auch besonders stark anwendungsbezogen (Nanoelektronik, Quantentechnologie) 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.

Grundlagen Bearbeiten

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.

Anwendungen Bearbeiten

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.

Speichermedien: Ferromagnetismus versus Antiferromagnetismus Bearbeiten

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, 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.
  • 1 ↦ „Magnetisierung nach unten“,

benutzt man etwa:

  • 0 ↦ „vertikal-alternierende Spinkonfiguration“ bzw.
  • 1 ↦ „horizontal-alternierende Spinkonfiguration“.

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

  1. die Unempfindlichkeit gegen Streufelder und
  2. die um Größenordnung kürzeren Umschaltzeiten.

Literatur Bearbeiten

Allgemein Bearbeiten

Fachartikel Bearbeiten

  • Igor Žutić, Jaroslav Fabian, S. Das Sarma: Spintronics: Fundamentals and applications. In: Reviews of Modern Physics. Band 76, Nr. 2, 23. April 2004, S. 323–410, doi:10.1103/RevModPhys.76.323 (englisch).
  • Albert Fert: Nobel Lecture: Origin, development, and future of spintronics. In: Reviews of Modern Physics. Band 80, Nr. 4, 17. Dezember 2008, S. 1517–1530, doi:10.1103/RevModPhys.80.1517 (englisch).
  • Peter A. Grünberg: Nobel Lecture: From spin waves to giant magnetoresistance and beyond. In: Reviews of Modern Physics. Band 80, Nr. 4, 17. Dezember 2008, S. 1531–1540, doi:10.1103/RevModPhys.80.1531 (englisch).
  • David Awschalom, Nitin Samarth: Spintronics without magnetism. In: Physics. Band 2, 15. Juni 2009, S. 50, doi:10.1103/Physics.2.50 (englisch).
  • Atsufumi Hirohata u. a.: Review on spintronics: Principles and device applications. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Band 509, September 2020, S. 166711, doi:10.1016/j.jmmm.2020.166711 (englisch).
  • E Y Vedmedenko u. a.: The 2020 magnetism roadmap. In: Journal of Physics D: Applied Physics. Band 53, Nr. 45, 4. November 2020, S. 453001, doi:10.1088/1361-6463/ab9d98 (englisch).

Fachbücher Bearbeiten

  • Tomasz Dietl, David D. Awschalom, Maria Kamińska, Hideo Ohno (Hrsg.): Spintronics (= Semiconductors and Semimetals. Band 82). Elsevier Academic Press, Amsterdam Heidelberg 2008, ISBN 978-0-08-044956-2 (englisch).
  • Thomas Schäpers: Semiconductor Spintronics (= De Gruyter textbook). De Gruyter, Berlin ; Boston 2016, ISBN 978-3-11-036167-4 (englisch).
  • Jürgen Smoliner: Grundlagen der Halbleiterphysik II: Nanostrukturen und niedrigdimensionale Elektronensysteme. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2021, ISBN 978-3-662-62607-8, doi:10.1007/978-3-662-62608-5.
  • Rainer Waser (Hrsg.): Nanoelectronics and Information Technology: Advanced Electronic Materials and Novel Devices. 3rd, completely rev. and enlarged ed Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-40927-3 (englisch).
  • Roland Wiesendanger (Hrsg.): Atomic- and Nanoscale Magnetism (= NanoScience and Technology). Springer International Publishing, Cham 2018, ISBN 978-3-319-99557-1, doi:10.1007/978-3-319-99558-8 (englisch).

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Institute und Forschung (Beispiele) Bearbeiten

Verjährt oder Andere Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Igor Žutić, Jaroslav Fabian, S. Das Sarma: Spintronics: Fundamentals and applications. Hrsg.: Reviews of Modern Physics. Band 76. American Physical Society, 23. April 2004, doi:10.1103/RevModPhys.76.323 (aps.org).
  2. z. B. Tomas Jungwirth, Ankündigung eines Kolloquiumvortrages an einer Bayerischen Universität („Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets“): [1]
  3. Peter Grünberg Institut (PGI). FZ Jülich, abgerufen am 21. Dezember 2022.
  4. Universität Leipzig: Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik. Universität Leipzig, abgerufen am 21. Dezember 2022.
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Veröffentlichungsdatum:
Die Spintronik aus den Wortern Spin und Elektronik manchmal auch Spinelektronik oder Fluxtronik genannt ist ein modernes Forschungsgebiet das sowohl Teil der Grundlagenforschung Festkorperphysik Nanotechnologie als auch besonders stark anwendungsbezogen Nanoelektronik Quantentechnologie ist Die Spintronik basiert auf dem magnetischen Moment des Elektrons zur Informationsdarstellung und verarbeitung und nicht nur auf dessen elektrischer Ladung wie die herkommliche Halbleiterelektronik Unter dem alteren 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 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 2 Anwendungen 3 Speichermedien Ferromagnetismus versus Antiferromagnetismus 4 Literatur 4 1 Allgemein 4 2 Fachartikel 4 3 Fachbucher 5 Siehe auch 6 Weblinks 6 1 Institute und Forschung Beispiele 6 2 Verjahrt oder Andere 7 EinzelnachweiseGrundlagen BearbeitenDie Spintronik beruht auf der Moglichkeit 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 konnen in den genannten Materialien spinpolarisierte Strome erzeugt werden Diese weisen mit Betrag und Richtung des Spinerwartungswerts weitere Freiheitsgrade auf die als zusatzliche Eigenschaften fur die Informationsdarstellung genutzt werden konnen Zusatzlich konnen spinpolarisierte Strome magnetische Materialien beeinflussen wodurch beispielsweise magnetische Domanen in einen anderen Zustand uberfuhrt werden konnen wodurch Informationen kodiert werden konnen 1 Anwendungen BearbeitenEine Anwendung der Spintronik sind Festplatten mit Spinvalve Dunnschicht Lesekopfen die den GMR Effekt Riesenmagnetowiderstand oder TMR Effekt nutzen Der GMR Effekt ermoglicht es sehr kleine magnetische Domanen zu detektieren und so die Kapazitat von Festplatten deutlich zu steigern Fur die Entdeckung des GMR Effektes wurde Albert Fert und Peter Grunberg 2007 der Nobelpreis fur Physik verliehen Speichermedien Ferromagnetismus versus Antiferromagnetismus BearbeitenWahrend man bei den gegenwartigen Anwendungen ausschliesslich mit ferromagnetischen Speichermedien und Lese bzw Schreibkopfen 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 konnen wie mit ferromagnetischem Material Statt der gewohnten Zuordnung 0 Magnetisierung nach oben bzw 1 Magnetisierung nach unten benutzt man etwa 0 vertikal alternierende Spinkonfiguration bzw 1 horizontal alternierende Spinkonfiguration Dies entspricht mathematisch dem Ubergang von der Drehgruppe SO 3 zu der zugehorigen relativistischen Uberlagerungsgruppe der Doppelgruppe SU 2 Die Hauptvorteile des Einsatzes von antiferromagnetischem gegenuber ferromagnetischem Material sind die Unempfindlichkeit gegen Streufelder und die um Grossenordnung kurzeren Umschaltzeiten Literatur BearbeitenAllgemein Bearbeiten Thomas Liebsch Mit Mini Magneten ist zu rechnen Spintronik Ein Dreifach Gatter als digitaler Universalbaustein In Telepolis Heise Verlag 21 Januar 2006 abgerufen am 20 Dezember 2022 Richard Sietmann Fortschritt in der Silizium Spintronik In Heise Newsticker Heise Verlag 27 August 2007 abgerufen am 22 Februar 2017 Spintronik In Welt der Physik BMBF DPG abgerufen am 20 Dezember 2022 Experten uberzeugt Spintronik wird sich durchsetzen In Futurezone 7 September 2015 abgerufen am 20 Dezember 2022 Spintronik Neuartige Kristalle fur die Computerelektronik der Zukunft In Aktuelles aus der Goethe Universitat Frankfurt 25 Februar 2022 abgerufen am 20 Dezember 2022 Spintronik 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doi 10 1016 j jmmm 2020 166711 englisch E Y Vedmedenko u a The 2020 magnetism roadmap In Journal of Physics D Applied Physics Band 53 Nr 45 4 November 2020 S 453001 doi 10 1088 1361 6463 ab9d98 englisch Fachbucher Bearbeiten Tomasz Dietl David D Awschalom Maria Kaminska Hideo Ohno Hrsg Spintronics Semiconductors and Semimetals Band 82 Elsevier Academic Press Amsterdam Heidelberg 2008 ISBN 978 0 08 044956 2 englisch Thomas Schapers Semiconductor Spintronics De Gruyter textbook De Gruyter Berlin Boston 2016 ISBN 978 3 11 036167 4 englisch Jurgen Smoliner Grundlagen der Halbleiterphysik II Nanostrukturen und niedrigdimensionale Elektronensysteme Springer Berlin Heidelberg Berlin Heidelberg 2021 ISBN 978 3 662 62607 8 doi 10 1007 978 3 662 62608 5 Rainer Waser Hrsg Nanoelectronics and Information Technology Advanced Electronic Materials and Novel Devices 3rd completely rev and enlarged ed Auflage Wiley VCH Weinheim 2012 ISBN 978 3 527 40927 3 englisch Roland Wiesendanger Hrsg Atomic and 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Fabian S Das Sarma Spintronics Fundamentals and applications Hrsg Reviews of Modern Physics Band 76 American Physical Society 23 April 2004 doi 10 1103 RevModPhys 76 323 aps org z B Tomas Jungwirth Ankundigung eines Kolloquiumvortrages an einer Bayerischen Universitat Relativistic Approaches to Spintronics with Antiferromagnets 1 Peter Grunberg Institut PGI FZ Julich abgerufen am 21 Dezember 2022 Universitat Leipzig Felix Bloch Institut fur Festkorperphysik Universitat Leipzig abgerufen am 21 Dezember 2022 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Spintronik amp oldid 231531493