Indem sie Elektronen quasi nach ihrer Pfeife tanzen liessen, haben Zürcher Physiker womöglich den Weg zu noch leistungsfähigeren Computerchips geebnet. Es gelang ihnen erstmals, die Eigendrehung von Elektronen, den sogenannten Spin, in eine feste Helix-Form zu zwingen und für längere Zeit aufrechtzuerhalten.

Dieser Schritt ist für die praktische Anwendung des Elektronenspins von zentraler Bedeutung, wie IBM Research am Montag in einer Mitteilung schreibt. Denn es bedeutet, dass der Spin in elektronischen Bauteilen wie Computerchips gezielt kontrolliert und manipuliert werden könnte.

Die physikalischen Grenzen

Die heute gängige Technik, Informationen mit der elektrischen Ladung des Elektrons zu codieren, gerät an ihre physikalischen Grenzen. Die Spintronik verwendet hierfür statt der Ladung den Spin der Elektronen. Die «Einsen» und «Nullen» für die digitale Informationsverarbeitung entsprechen dabei der Drehrichtung des Spins. Damit liessen sich weitaus energieffizientere Computer und Speicher herstellen.

Bislang war allerdings unklar, ob die Spins die codierte Information lange genug speichern können, bevor sie ihren Zustand spontan wieder ändern. Nun ist es Forschern von IBM Research in Rüschlikon und dem Labor für Festkörperphysik der ETH Zürich gelungen, die Spins in einem Halbleiter mit Laserpulsen dazu zu bringen, sich synchron zu drehen und in einer festen Helix-Form anzuordnen.

Längere Lebensdauer für Spins

Dadurch verlängerte sich die Lebensdauer der einzelnen Spins um das dreissigfache auf eine Milliardstel-Sekunde, wie sie im Online- Vorabdruck des Fachblatts «Nature Physics» berichten. So lange braucht auch ein 1-GHz-Prozessor für einen Verarbeitungsschritt.

«Wir können nun die Drehgeschwindigkeit der Spins mit ihrer Bewegungsrichtung koppeln», zitiert die Mitteilung den Erstautor Gian Salis von IBM. «Daraus entsteht eine perfekte Choreographie, in der alle Spins gleich ausgerichtet sind.» Diese Ausrichtung zu kontrollieren sei die Voraussetzung, um spinbasierte, programmierbare Transistoren zu entwickeln.

Der Weg zur Anwendung der Spin-Technologie in Computern und neuartigen Speichern sei jedoch noch weit, schreibt IBM Research. So liessen sich viele der Experimente bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen durchführen - in der aktuellen Arbeit etwa bei minus 233 Grad Celsius. Dies reduziert die Interaktionen des Elektronenspins mit der Umgebung auf ein Minimum.

SDA/rek