Igel und Anti-Igel für den Spinfilter

Igel und Anti-Igel für den Spinfilter

Die Illustration zeigt, wie sich an den Energieflächen der Elektronen im reziproken Raum die Spins aus der Ebene herausdrehen. Dabei bildet sich eine Konfiguration, die an die Stacheln eines Igels erinnert.

Wissenschaftler des HZB haben mit Experimenten an BESSY II mehr über das Drehverhalten von Spins in Graphen herausgefunden. Ihre Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt hin zur verlustfreien Leitung von Spinströmen.

Seit geraumer Zeit experimentieren HZB-Forscher mit Graphen, einem Material, das für seine besonders leicht beweglichen Elektronen bekannt ist. Sie wollen das Material mit einer weiteren Eigenschaft ausstatten. Dabei handelt es sich um eine Kopplung zwischen der Bewegungsrichtung dieser Elektronen und ihrem Eigendrehimpuls, dem Spin. Die Spineigenschaft ist eine Spezialität schwerer Elemente, wie beispielsweise Gold. Graphen besteht aus Kohlenstoff und ist dafür zu leicht. Jedoch beherrscht man am HZB die Methode, Gold kontrolliert unter eine Graphen-Lage zu schieben. So können in der Tat bestimmte Spinmuster erzeugt werden, die als Rashba-Effekt bekannt wurden. Bislang gelang das allerdings nur in der Ebene des Graphen. Nun ist es Dr. Andrei Varykhalov und seinen Mitarbeitern gelungen, den Spin auch aus der Ebene herauszudrehen.

Igel und Anti-Igel

Dabei drehen sich die Spins kontinuierlich von der Ebene in die Senkrechte, eine Ausrichtung wie bei den Stacheln eines Igels. Das konnten die Forscher mit spinaufgelöster Photoemissionsspektroskopie an BESSY II nachweisen. Tatsächlich sind solche Igel-Strukturen beispielsweise aus der Kernphysik bekannt. Das sind einzigartige Punkte, die eigentlich dem Verbot magnetischer Monopole nach Gauss widersprechen würden. Hier wirft Varykhalov jedoch ein, dass im Graphen alles zweifach vorhanden ist, da seine Bienenwabenstruktur aus zwei äquivalenten Atomgittern zusammengesetzt ist. Tatsächlich gibt es zu dem Igel auch eine Art Anti-Igel. Beide zusammen heben das Monopol auf.

Design eines Spinfilters

Dass sich Igel und Anti-Igel aufheben, bedeutet jedoch nicht, dass sie keine physikalische Auswirkungen hätten, ganz im Gegenteil, erklärt Prof. Dr. Oliver Rader, der Leiter der Abteilung. Die Physiker haben nämlich in ihrer Arbeit ein spintronisches Bauteil vorgeschlagen, das die Igelstruktur ausnutzt, um einen sehr effizienten Spinfilter zu realisieren. Im Spinfilter werden die Spins nach rechts oder links abgelenkt, der resultierende Spinstrom ist prinzipiell verlustlos und könnte in der Zukunft den Energieverbrauch in der Informationstechnologie reduzieren. Der von den HZB-Forschern gemessene Effekt im Graphen ist vor einigen Jahren von Wissenschaftlern aus Budapest vorhergesagt worden. Andros Kormányos hatte nachgewiesen, dass der Igel und der Anti-Igel auch bei den Vorläufersystemen schon angelegt waren, jedoch einander untrennbar überlagert. Erst durch Brechung der Untergittersymmetrie, die Varykhalov durch Wahl eines Sustratkristalls mit einer niedrigeren Symmetrie bewerkstelligt hat, konnte er den Igel und den Anti-Igel voneinander trennen. Damit wurde ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Spinfilter gemacht.

 

Nature Communications, 6:7610 (DOI: 10.1038/ncomms8610):Tunable Fermi level and hedgehog spin texture in gapped graphene; A. Varykhalov, J. Sánchez-Barriga, D. Marchenko, P. Hlawenka, P.S. Mandal and O. Rader

Phys. Rev. B 83, 155439 (2011), (DOI: 10.1103/PhysRevB.83.155439):
Effect of sublattice asymmetry and spin-orbit interaction on out-ofplane spin polarization of photoelectrons; P. Rakyta, A. Kormányos and J. Cserti