Neue Methode zur Speicherung ultrakurzer Strompulse entwickelt

Wie schnell gelingt es, Strom an- und auszuschalten? Neue Möglichkeiten, diese Grenzen auszutesten, untersuchte ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Göttingen in magnetischen Materialien.

Den Wissenschaftlern gelang es, Stromflüsse auf einer Zeitskala von 100 Femtosekunden – eine Femtosekunde entspricht dem millionsten Teil einer Milliardstelsekunde – zu erzeugen und zu verändern. Die Ergebnisse erscheinen in der Online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology.

Elementarteilchen, viele Atomkerne sowie Atome mit bestimmten Elektronenkonfigurationen besitzen einen sogenannten Spin, der die Rotation um die eigene Achse bezeichnet. Diese Eigenschaft der Elektronen ermöglicht eine alternative Form der Steuerung von Strömen, die „Spinelektronik“. Die Wissenschaftler entwickelten ein wenige Nanometer dickes Schichtsystem, in dem sie die ultrakurzen Ströme speichern und auslesen konnten. Durch einen kurzen Laserpuls angeregt, entsteht ein so genannter Spinstrom. Dieser kann durch seine speziellen Eigenschaften sowie seine Wechselwirkungen mit dem Metall, in dem er fließt, lokalisiert und gespeichert werden.

Die Wissenschaftler aus Göttingen, Berlin, Jülich und Uppsala zeigen in ihrer Studie, dass das Metall Ruthenium ein guter Speicher ist, durch eine Goldschicht fließen die Spins hingegen einfach durch. Der Spinstrom lässt sich nach der Speicherung in einen konventionellen Ladungsstrom umwandeln. Der Fluss des Stroms kann über die von ihm erzeugte elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich erkannt werden.

„Nur mit diesen ultrakurzen Strompulsen von 100 Femtosekunden Länge lassen sich im Terahertz-Bereich langwellige elektromagnetische Wellen erzeugen“, sagt der Göttinger Physiker Prof. Dr. Markus Münzenberg. „Durch den Einsatz von unterschiedlichen Materialien, wie Ruthenium oder Gold, können wir dabei das Spektrum der elektromagnetischen Wellen steuern. Zurzeit arbeiten wir daran, eine solche Steuerung aktiv zu beeinflussen.“ Elektromagnetische Wellen im Terahertz-Bereich sind interessant für ultraschnelle Informationstechnologie und die Entwicklung neuartiger Lichtquellen. Sie werden außerdem für die genaue Analyse von komplexen Kristallen und Molekülen benötigt, die bei der Entwicklung und Produktion von pharmazeutischen Produkten eine wichtige Rolle spielen.

Originalveröffentlichung: T. Kampfrath et al. „Terahertz spin current pulses controlled by magnetic heterostructures”, Nature Nanotechnology 2013, doi: http://dx.doi.org/10.1038/NNANO.2013.43.

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Prof. Dr. Markus Münzenberg
Georg-August-Universität Göttingen
I. Physikalisches Institut
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