ICs mit magnetischen und elektronischen Eigenschaften

Physiker haben eine besondere Art Silizium-basierter Bauelemente realisiert. Neben der elektrischen Ladung lässt sich auch der elektronische Spin zur Informationsspeicherung und -verarbeitung nutzen.

Die heutige, auf Halbleitern basierte Mikroelektronik zieht ihre Funktionalität ausschließlich aus der elektrischen Ladung der Elektronen. Elektronen besitzen neben ihrer Ladung mit dem Spin aber noch eine weitere für die Informationsverarbeitung hochinteressante Eigenschaft. Er gleicht der Magnetisierung einer Kompassnadel, die sich bezüglich eines Magnetfelds nur parallel (up) oder antiparallel (down) ausrichten kann.

Zwar findet der Elektronenspin in Festplatten-Leseköpfen bereits ein Anwendungsfeld. In der alltäglichen Halbleiterelektronik wird er jedoch bislang ignoriert. So sind z.B. in normalen ICs 50 Prozent der Spins „up“ und 50 Prozent „down“ ausgerichtet, ohne dass sich daraus ein Nutzen gewinnen lässt. Hier setzt das junge Forschungsfeld der Spinelektronik an. Es unterscheidet diese beiden Elektronenzustände und setzt sie in Bauelementfunktionen ein. Hierzu bedarf es besonderer Materialien. Sie müssen einerseits nur eine Spinsorte – „up“ oder „down“ – zur Verfügung stellen und andererseits mit der Halbleitertechnologie vereinbar sein.

Material mit hochgradig ausgerichteten Elektronen: Die Ionen des Kristallgitters von Eropiumoxid. Abb.: Uni Augsburg
Material mit hochgradig ausgerichteten Elektronen: Die Ionen des Kristallgitters von Eropiumoxid. Abb.: Uni Augsburg
Foto: xyz xyz

Physiker der Uni Augsburg haben es nun geschafft, mit Europiumoxid (EuO) ein solches Material direkt auf Silizium herzustellen. EuO ist eine Verbindung aus dem Metall Europium und Sauerstoff. Wie die Physiker zeigen konnten, weisen dabei 90 Prozent der elektronischen Spins des EuO in eine Richtung. Das sind deutlich mehr als in Konkurrenzmaterialien wie Eisen oder Kobalt.

EuO ist in vielen Eigenschaften dem Silizium außerordentlich ähnlich. Die Verbindung dieser beiden Materialien eröffnet damit erstmals die Möglichkeit, die polarisierten Elektronen effizient und direkt in das Silizium zu leiten, ohne dass sie dabei ihre Ausrichtung verlieren.

Das große IT-Potential von EuO ist seit langem bekannt. Da EuO aber in Luft nicht stabil ist und zerfällt, ließ sich dieses Material bisher nicht in breitem Umfang nutzen. Durch die Entwicklung spezieller Schutzschichten und Bearbeitungsverfahren konnten die Augsburger Physiker dieses Problem nun lösen. (dsc)

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