Der Spin der Elektronen

Der Spin der Elektronen

Elektronen sind beim Stromtransport in bestimmten Materialstrukturen ausgerichtet, so die Beobachtung von Wissenschaftlern der Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Damit lassen sich Energieverluste vermeiden, bspw. in Solarzellen. Auch das Verständnis für die grundsätzlichen mikroskopischen Prozesse in Solarzellen der nächsten Generation wird höher.

Neben ihrer Ladung tragen Elektronen auch einen Spin, der das Elektron zu einem winzigen Magneten macht. Dieser Magnet kann in den meisten Materialien beliebig zur Bewegungsrichtung des Elektrons orientiert sein. Aber unter Ausnutzung bestimmter Effekte lässt sich der Spin ausrichten.

Die Wissenschaftler suchen nun nach Materialien, in denen eine solche Ausrichtung stattfindet. Damit ließen sich neuartige Elektroniken entwickeln. Rechnungen haben gezeigt, dass dies in organisch-anorganischen Halbleitern mit Perowskit-Struktur der Fall sein könnte. Diese Kristalle verbinden anorganische Komponenten (Blei oder Zinn, und Iod oder Brom) mit organischen Molekülen, und kombinieren die wünschenswerten Eigenschaften beider Materialklassen. Die Materialien wirken bereits effizient in Solarzellen, Lasern, Leuchtdioden, sowie in Detektoren für sichtbares Licht, UV- oder Röntgenstrahlung.

Der Spin als Datenspeicher

Im Experiment konnten Forscher der FAU die Ausrichtung des Spins in dem Material jetzt erstmalig direkt nachweisen. Die Ausrichtung wird durch einen Effekt erreicht, der nach dem ukrainischen Physiker Emmanuil I. Raschba benannt ist. Dabei zeigt der Spin des Elektrons wie eine Magnetnadel stets senkrecht zu elektrischen Feldern, die durch Verzerrungen im Material erzeugt werden.

Die FAU-Wissenschaftler konnten den stärksten bis heute bekannten Raschba-Effekt nachweisen. Die Ergebnisse liefern eine Grundlage für die Erklärung und Optimierung der bisher nur teilweise verstandenen hohen Effizienz von Solarzellen und Lasern aus organisch-anorganischen Perowskit-Halbleitern. Durch die Ausrichtung des Spins werden Stöße der Elektronen mit dem Gitter und mit anderen Elektronen reduziert, wodurch weniger Wärmeverluste zu verzeichnen sind.

Zudem sind völlig neue Anwendungen denkbar, in denen der Spin selbst durch Anlegen von Spannung manipuliert und als Datenspeicher oder für Rechenoperationen genutzt wird. Ein Spin-basierter Rechner könnte weit energieeffizienter arbeiten als heutige Computer.

Bild: FAU/Daniel Niesner