SPP 1285:  Halbleiter-Spintronik

Fachliche Zuordnung Physik
Informatik, System- und Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2007 bis 2016
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 26333632
 

Projektbeschreibung

Das Funktionsprinzip von Halbleiterbauelementen muss in den nächsten 20 Jahren grundlegend geändert werden, da Quanteneffekte bei fortschreitender Reduktion der Strukturgrößen immer stärker dominieren werden. Die Halbleiterindustrie ist sich dieser kommenden Revolution, die unausweichlich aus dem Mooreschen Gesetz folgt, bewusst. Bisher weiß jedoch niemand, wie solche Halbleiter-Quantenbauelemente funktionieren werden. Klassische Halbleiterbauelemente basieren auf der gezielten Kontrolle der elektrischen Ladung. Die elektrische Ladung ist für quantenmechanische Bauelemente aber unter Umständen nicht die am besten geeignete Kontrollgröße, da die Kohärenzlänge der Ortswellenfunktion von Elektronen extrem klein ist. Neben der Ladung besitzt das Elektron als weitere Eigenschaft einen Spin. Der Spin des Elektrons ist um viele Größenordnungen stabiler als die Ortswellenfunktion und daher für Quantenbauelemente prinzipiell besser geeignet. Gleichzeitig ist die Energie, die für das Umschalten der Spinorientierung benötigt wird, um Größenordnungen kleiner als die Coulomb-Ladeenergie, sodass die bereits heute extrem problematische Wärmeentwicklung bei Halbleiterbauelementen lösbar erscheint.
Die Nutzung des Elektronenspins für Halbleiterbauelemente ist seit einigen Jahren ein rasant wachsendes Forschungsgebiet, das als Halbleiter-Spintronik bezeichnet wird. Die Spintronik geht weit über die heutzutage bereits kommerziell genutzte Magnetoelektronik, die auf ferromagnetischen Metallschichten basiert, hinaus und verfolgt das Ziel, einzelne oder mehrere Spins mittels optischer oder elektrischer Methoden zu schreiben und zu lesen sowie Spinpaare kontrolliert zu koppeln. Sie beabsichtigt im Gegensatz zur Magnetoelektronik, die magnetischen Eigenschaften über die Ladungsträgerdichte zu modifizieren, spin-optoelektronische Bauelemente zu realisieren und neuartige Quantenbauelemente zu entwickeln. Die Spintronik umfasst die Forschungsgebiete der traditionellen Halbleiterphysik, des Magnetismus, der Bauelemententwicklung und der Quanteninformationsverarbeitung in Festkörpern. Wissenschaftliche Ziele des Schwerpunktprogramms sind die Erforschung
(1) der effizienten Injektion spinpolarisierter Elektronen mittels para- und ferromagnetischer Halbleiter und ferromagnetischer Metallcluster,
(2) des Transports von Elektronenspins über Grenzflächen und große Distanzen,
(3) der gezielten Manipulation der Orientierung von Elektronenspins,
(4) der Spin-Spin-Wechselwirkung,
(5) von Konzepten zur Entwicklung einer Spin-Elektronik und Spin-Optoelektronik,
(6) der Grundlagen der Spin-Quanteninformationsverarbeitung in Halbleitern.
DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme
Internationaler Bezug Israel, Russische Föderation

Projekte

Sprecher Professor Dr. Michael Oestreich