Als elektronen door een halfgeleider gaan, trans-porteren ze hun lading. Voor een nog krachtiger elektro-nische component kunnen de natuurkundigen een andere toestand van de elektronen manipuleren en transpor-teren: hun spin.
De spin is een soort kwantum-mechanische draaiimpuls om de eigen as, die slechts twee toestanden kent: up en down. Staan de assen van alle elektronen parallel en draaien ze alle in dezelfde richting, dan is de groep spin-gepolariseerd. Zouden alle elek-tronenspins omgekeerd draaien, dan zou de groep een tegengestelde spin hebben. Als er geen voorkeursrichting bestaat, is de gemiddelde spinwaarde gelijk aan nul. Doel van dit spintronic genoemde onderzoek is, spingepola-riseerde elektronen op te wekken, te manipuleren en te transporteren.
Vooral het transport van spingepolariseerde elektronen geeft veel moei-lijkheden. Op de eerste plaats is er het eigen magnetisch veld, dat altijd ontstaat als ladingdragers zoals elektronen zich bewegen. Het stuurt de spin van de aparte elektronen tijdens zijn verplaatsing uit de oorspronkelijke voorkeursrichting, totdat op een bepaald moment geen gemiddelde spin-polarisatie meer bestaat. Een ander probleem is de wisselwerking van de elektronen met gaten en met stoorplaatsen, waardoor de spin eveneens verdwijnt.
Fysici van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik sturen nu spin-gepolariseerde elektronen op reis door een speciale halfgeleiderstruc-tuur, een zogenaamde galliumarsenide (GaAs) kwantumfilm. Ze meten vervolgens hoe de spinpolariteit in de loop van de tijd verandert. De onderzoekers gebruiken daarvoor een geraffineerde methode, die het opwekken en meten van elektronen in een proefopstelling mogelijk maakt, de zogenaamde magneto-optische Kerr rotatiemethode.
Kerr-rotatie
Allereerst raakt een ultrakorte start-laserpuls de kwantumfilm, die zorgt voor elektronen en gaten. Het licht van de laser is circulair gepolariseerd, dat wil zeggen, dat de lichtgolven niet alleen op en neer maar ook in cirkelvorm rond de as van de lichtopening trillen. Dit soort licht wekt in de kwantumfilm spingepolariseerde elektronen op. Deze worden door een geluidsgolf zodanig getransporteerd, dat elektronen en gaten ruimtelijk ver van elkaar gescheiden zijn, waarbij de ene zich verzamelen in het golfdal, terwijl de andere dit doen op de golfberg. Dit voorkomt dat ze snel weer recombineren, waardoor de spin verloren zou gaan. De onderzoekers zouden op deze manier de levensduur van de spinpolarisatie belangrijk kunnen verlengen.
Voor de detectie van dit fenomeen wordt een tweede, lineair gepolariseerde laserpuls voor het aftasten gebruikt. Deze puls raakt de door de akoestische golf getransporteerde elektronen met een vertraging in de tijd ten opzichte van de aanstoot-laserpuls. Omdat de lichtpolarisatie door de spingepola-riseerde elektronen wordt verdraaid, zouden de natuurkundigen kunnen vaststellen, hoe groot de spinpolarisatie van de elektronen groepen op verschillende afstanden van het uitgangspunt is. Ze zouden op deze manier het tijdsverloop van het afzwakken van de spin-polarisatie natuurlijk kunnen volgen.
Magnetisch veld
De onderzoekers hebben ook loodrecht op de koersrichting van de akoes-tische golven een magnetisch veld aangelegd en een andere interessante eigenschap van de spin kunnen waarnemen. Een uitwendig magnetisch veld leidt ertoe, dat de spin zich draait om het magnetisch veld. Ze konden in een tijdsverloop waarnemen, dat de elektronen op hun weg van circa 20 µm tweemaal hun polarisatierichting veranderen en aan het eind nog ongeveer 10% van de spinpolarisatie hebben behouden.
