Der Bereich der Spintronik hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und findet bereits Anwendung in Datenspeichern, Sensorik und moderner Kommunikationstechnologie. Komponenten, die auf Spintronik basieren, sind mittlerweile in alltäglichen Geräten wie Autos und Handys verbaut. Ein wesentliches Element der Spintronik ist die Nutzung des Elektronenspins, ein Eigendrehimpuls, der als magnetisches Moment fungiert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Halbleiterelektronik, die ausschließlich elektrische Ladung zur Informationsverarbeitung nutzt, eröffnet die Spintronik neue Perspektiven für die Speicherung und Übertragung von Daten.
Die Forschungsgruppe ChiPS („Chiral Phonons for Spintronics“) an der Universität Konstanz hat sich besonders dem Zusammenhang zwischen Spintronik und mechanischen Schwingungen, den sogenannten Phononen, verschrieben. Diese Gruppe wird seit dem 31. März 2025 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Förderung beläuft sich auf rund 3,2 Millionen Euro für eine Dauer von vier Jahren, mit der Möglichkeit zur Verlängerung. Die Beteiligten Einrichtungen umfassen neben der Universität Konstanz auch die Universität Augsburg, die Freie Universität Berlin, das Max-Born-Institut Berlin, die RWTH Aachen und das Walther-Meißner-Institut in Garching.
Chirale Phononen und ihre Rolle
Ein zentrales Anliegen der ChiPS-Forschungsgruppe ist es, chirale Phononen zu erzeugen, zu transportieren und nachzuweisen. Chirale Phononen besitzen einen links- oder rechtshändigen Drehimpuls, der mit dem Elektronenspin interagieren kann. Diese Eigenschaften könnten entscheidend sein für die zukünftige Entwicklung neuer Geräte, die nicht nur elektronisch, sondern auch spintronisch und phononisch funktionieren. Ulrich Nowak, Sprecher der Gruppe und Professor für Theorie magnetischer Materialien an der Universität Konstanz, hebt hervor, dass er und Peter Baum bereits 2022 in einer Publikation in *Nature* nachweisen konnten, wie chirale Phononen durch ultraschnelle Entmagnetisierung erzeugt werden können.
In der Fachwelt betrachtet, ist Spintronik ein modernes Forschungsgebiet, das sowohl Grundlagen- als auch angewandte Forschung verbindet. Während es auf der einen Seite um festkörperphysikalische und nanotechnologische Grundlagen geht, umfasst es auf der anderen Seite auch spannende Anwendungen innerhalb der Nanoelektronik und Quantentechnologie. Ebenso spielt die Manipulation von Spins durch elektrische und magnetische Felder eine entscheidende Rolle. Durch die Spininjektion in verschiedene Materialien, einschließlich organischer und metallischer Substanzen, können spinpolarisierte Ströme erzeugt werden. Diese Ströme haben die Fähigkeit, Informationen zu kodieren und bestehende magnetische Materialien zu beeinflussen.
Der Einfluss auf die Technologie
Ein Beispiel für eine Anwendung der Spintronik ist die Verwendung von „Spinvalve“-Dünnschicht-Leseköpfen in Festplatten. Diese nutzen den GMR-Effekt (Riesenmagnetowiderstand) zur Detektion kleiner magnetischer Domänen, was die Speicherkapazität der Festplatten erheblich steigert. Bekannt wurde dieses Gebiet auch durch die Entdeckung dieses Effektes, für die Albert Fert und Peter Grünberg im Jahr 2007 den Nobelpreis für Physik verliehen bekamen. Der GMR-Effekt hebt die Spintronik als Schlüsseltechnologie hervor, die zukünftigen Entwicklungen in der Datenspeicherung und -verarbeitung zugrunde liegen könnte.
Aktuelle Forschungen fokussieren sich zunehmend auch auf antiferromagnetische Materialien, die ähnliche funktionale Eigenschaften wie ferromagnetische Materialien aufweisen, jedoch zusätzlich Vorteile bieten. Diese Vorteile reichen von einer Unempfindlichkeit gegenüber Streufeldern bis hin zu kürzeren Umschaltzeiten. Mit einem kontinuierlichen Fortschritt in der Spintronik könnten neue Lösungen für die Herausforderungen in der Datentechnologie realisiert werden und damit die Effizienz und Leistungsfähigkeit künftig verfügbarer Technologien entscheidend verbessern.