Mustermacher auf einer Nano-Insel

16.02.2010: Einsperren hilft - nicht nur, wenn Verbrecher ihre wohlverdiente Strafe erhalten sollen, sondern auch in der Physik: Indem sie Elektronen auf einen engen Raum begrenzten, konnten die Forscher um Dirk Sander, Valeri Stepanyuk und Jürgen Kirschner vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle für die Elektronen und ihre Eigendrehimpulse ("Spins") grundlegende quantenphysikalische Phänomene demonstrieren. Aber ihre Arbeit geht über Grundlagenforschung hinaus: Sie eröffnet die Möglichkeit, die Spinpolarisation auf einer Nanometerskala zu manipulieren. Das ist für Entwicklungen der Spintronik äußerst interessant, also der Informationsverarbeitung, die zusätzlich zur Ladung auch den Spin von Elektronen ausnutzt und dadurch kleiner, schneller und sparsamer ist.

Der enge Raum - das ist für die Forscher eine dreieckige Kobalt-Insel auf einem Kupferkristall: Die Insel ist nur zwei Atomlagen dick und hat eine Kantenlänge von 12 Nanometern, besteht somit gerade mal aus ca. 10.000 Kobaltatomen. Kupfer und Kobalt unterscheiden sich hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur. Insbesondere ist Kupfer nichtmagnetisch, Kobalt hingegen magnetisch. Der Inselrand ist eine elektronische Barriere, die Elektronen sind also auf der Insel eingesperrt.

Untersucht wird die Insel mit der magnetischen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM). Die Spitze brigen die Forscher sehr nahe an die Insel gebracht. Dann tunneln Elektronen von der Spitze in die Insel. Gemessen wird der Tunnelstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zwischen Spitze und Insel. So ermitteln die Physiker den differentiellen elektrischen Leitwert (der Kehrwert des elektrischen Widerstands).

Der besondere Clou des RTM in Halle: Die Messungen werden in Magnetfeldern gemacht, die einige 10.000 Mal stärker als das Erdmagnetfeld sind. So können die Forscher zwei verschiedene magnetische Konfigurationen hergestellen und untersuchen: Die Elektronen-Spins der RTM-Spitze und die der Insel, die für die Magnetisierung verantwortlich sind, weisen in einem Fall in die gleiche, im anderen Fall in die entgegengesetzte Richtung - man spricht von paralleler beziehungsweise antiparalleler Konfiguration. Die Wissenschaftler aus Halle haben in beiden Konfigurationen die Oberfläche der Insel abgerastert und den Tunnelstrom gemessen. So erstellten sie sowohl für die parallele als auch für die antiparallele Konfiguration eine Landkarte, die den Leitwert in Abhängigkeit von der Position auf der Insel darstellt.

Dadurch, dass die Elektronen auf der Insel eingesperrt sind, zeigt die Landkarte der Leitwerte sowohl für die parallele als auch für die antiparallele Konfiguration ein räumliches Muster: Gemäß ihrem Wellencharakter bilden die Elektronen auf der Insel stehende Wellen aus. Allerdings - und das ist das Interessante an den Messergebnissen - wirkt sich das Einsperren in paralleler Konfiguration anders aus als in antiparalleler Konfiguration: Eine dritte Landkarte, in der die Wissenschaftler eintrugen, um wie viel die beiden Werte voneinander abwichen zeigte ebenfalls ein räumliches Muster. Mit anderen Worten: Auch die Spinpolarisation, also das Vorhandensein einer Vorzugsrichtung für den Elektronenspin, ist in der dreieckigen magnetischen Nanostruktur räumlich moduliert.

Untermauern konnten die Wissenschaftler ihre Interpretation durch so genannte ab-initio-Berechnungen. Sie haben damit erstmals gezeigt, dass die Interferenz der Elektronen in der Nanostruktur vom Elektronen-Spin abhängt.

Originalveröffentlichung: Hirofumi Oka et al.; "Spin-Dependent Quantum Interference"; Science, 12. Februar 2010