Die Forschungszusammenarbeit zwischen den Gruppen von Assistenzprofessor Ahmet Avsar und Prof. Barbaros Özyilmaz (beide aus dem Bereich Materialwissenschaft und -technik) befasst sich mit den einzigartigen Eigenschaften eines ultradünnen, zweidimensionalen Materials namens schwarzer Phosphor und der Art und Weise, wie es rotierende Elektronen transportiert. Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich veröffentlicht.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Elektronik, die sich auf die Bewegung elektrischer Ladung stützt, nutzt die Spintronik den intrinsischen Spin der Elektronen, um energieeffizientere Geräte zu schaffen. Elektronen haben einen Spin-Zustand von „aufwärts“ oder „abwärts“, wodurch sie wie winzige Magnete wirken, und die Manipulation dieses Zustands wird von den Forschern als entscheidend für einen stromsparenden Betrieb von elektronischen Geräten angesehen. Dies liegt daran, dass die Spin-Bewegung der Elektronen von Natur aus viel weniger Wärme abgibt als die Bewegung elektrischer Ladung, die in der herkömmlichen Elektronik verwendet wird.
„Das Rückgrat der Spintronik“
Während das Phänomen des Spins selbst bereits umfassend erforscht wurde, bestand die Herausforderung darin, ein Material mit den optimalen Eigenschaften für die Schaffung der Kanäle zu finden, die Spins transportieren.
„Die Wahl des richtigen Materials ist in der Spintronik von entscheidender Bedeutung“, so Prof. Özyilmaz. „Hocheffiziente und funktionelle Spin-Kanal-Materialien sind das Rückgrat der Spintronik-Bauteile, mit denen wir die Spins für verschiedene Anwendungen manipulieren und kontrollieren können.“
Schwarzer Phosphor ist eine einzigartige Form von Phosphor mit einer ausgeprägten gefalteten oder gewellten Kristallstruktur. Die Forscher fanden heraus, dass diese Eigenschaft es ihm ermöglicht, drehende Elektronen in eine bestimmte Richtung zu transportieren, wodurch er sich deutlich von anderen Materialien unterscheidet.
Dr. Avsar erklärt: „Die Kristallstruktur von schwarzem Phosphor verleiht dem Spintransport richtungsabhängige Eigenschaften, was neue Möglichkeiten für die Steuerung von Spintronik-Bauteilen bietet.“ Um zu verstehen, wie sich das Material verhält, haben die Forscher sehr dünne Spintronik-Bauteile aus schwarzem Phosphor hergestellt. Anschließend untersuchten sie, wie sich drehende Elektronen in verschiedene Richtungen bewegen, indem sie sie in das Material injizierten und das resultierende Signal maßen.
Als sie ein starkes Magnetfeld an die schwarze Phosphorschicht anlegten, machten sich die rotierenden Elektronen viel stärker bemerkbar, was ihre Wechselwirkung mit der Umgebung veränderte und ihre Lebensdauer um mindestens das Sechsfache erhöhte.
„Unsere Forschung hat auch ergeben, dass schwarzer Phosphor es ermöglicht, das Spinverhalten elektrisch zu steuern. Wir können die Spin-Diffusion über sehr weite Entfernungen erreichen oder sie durch einfaches Anlegen eines elektrischen Feldes vollständig stoppen“, so Dr. Avsar. „Zusammen mit seiner außergewöhnlichen Fähigkeit, den Spintransport zu steuern, macht dies den schwarzen Phosphor zu einem besonderen Material für die Manipulation von Spins, was einen großen Fortschritt in der Welt der Spintronik bedeutet.“
Neue Möglichkeiten für elektronische Geräte
Das Forschungsteam untersucht nun, wie diese Entdeckung auf neue spintronische Geräte angewendet werden kann, die nicht nur durch die grundlegenden Spinzustände, sondern auch durch die Ausnutzung der einzigartigen Spineigenschaften zur Steuerung des Spinflusses auf fortgeschrittenere Weise kontrolliert werden können. Sie nehmen an, dass dies zu neuen Möglichkeiten für elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch und hoher Funktionalität führen könnte.
Diese Entdeckung ist besonders wichtig, da herkömmliche Computerchips in Bezug auf die Anzahl der Transistoren, die sie aufnehmen können, an ihre technologischen Grenzen stoßen. Dies hat in der Halbleiterindustrie zu einem starken Interesse an alternativen Technologien geführt, die kleinere, energiesparende Chips mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit und Speicherkapazität ermöglichen.
Die Spintronik mit ihrem Potenzial zur Schaffung energieeffizienterer Geräte ist eine vielversprechende Lösung und die Erkenntnisse des Teams im Zusammenhang mit schwarzem Phosphor tragen eine neue und entscheidende Dimension zu den Fortschritten auf diesem Gebiet bei.
