Wissenschaftler haben elektrische Impulse genutzt, um magnetische Informationen in ein polarisiertes Lichtsignal umzuwandeln, eine Entdeckung, die die optische Ferntelekommunikation, auch zwischen Erde und Mars, revolutionieren könnte.
Der Durchbruch, beschrieben in einer Studie, veröffentlicht in Natur, umfasst den Bereich der Spintronik, deren Ziel es ist, den Spin von Elektronen zu manipulieren, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten.
Die Forscher verwendeten einen elektrischen Impuls, um diese Spin-Informationen von Elektronen auf Photonen zu übertragen, die Teilchen, aus denen Licht besteht, und ermöglichten so die Übertragung der Informationen über große Entfernungen mit großer Geschwindigkeit. Ihre Methode erfüllt drei entscheidende Kriterien – Betrieb bei Raumtemperatur, keine Notwendigkeit eines Magnetfelds und die Fähigkeit zur elektrischen Steuerung – und öffnet die Tür zu einer Reihe von Anwendungen, einschließlich ultraschneller Kommunikation und Quantentechnologien.
„Jahrzehntelang haben wir von spintronischen Geräten bei Raumtemperatur geträumt und diese vorhergesagt, die über den Magnetowiderstand und die bloße Speicherung von Informationen hinausgehen. Mit der Entdeckung dieses Teams werden unsere Träume Wirklichkeit“, sagt der Co-Autor der Studie, Igor Žutić, SUNY Distinguished Professor für Physik an der University at Buffalo.
Die Studie wurde vom Jean-Lamour-Institut geleitet, einer gemeinsamen Einrichtung des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und der Universität Lothringen. Weitere Mitwirkende repräsentieren Universitäten und Institute in Frankreich, Deutschland, Japan, China und den Vereinigten Staaten.
Spintronische Geräte könnten herkömmliche Elektronik ersetzen
In der Spintronik, die erfolgreich in magnetischen Computerfestplatten eingesetzt wird, werden Informationen durch den Elektronenspin und, als Stellvertreter, die Magnetisierungsrichtung dargestellt.
Ferromagnete wie Eisen oder Kobalt verfügen über eine ungleiche Anzahl an Elektronen, deren Spins entweder entlang oder gegen die Magnetisierungsachse ausgerichtet sind. Elektronen mit Spin entlang der Magnetisierung bewegen sich gleichmäßig über einen Ferromagneten, während Elektronen mit entgegengesetzter Spinorientierung herumgeschleudert werden. Dies stellt binäre Informationen dar, 0 und 1.
Die daraus resultierende Widerstandsänderung ist das Schlüsselprinzip spintronischer Geräte, deren magnetischer Zustand, der als gespeicherte Information betrachtet werden kann, unbegrenzt erhalten bleibt. So wie ein Kühlschrankmagnet keinen Strom benötigt, um an der Tür zu haften, benötigen spintronische Geräte viel weniger Strom als herkömmliche Elektronik.
Doch ähnlich wie beim Herausnehmen eines Fisches aus dem Wasser gehen Spininformationen schnell verloren und können nicht weit wandern, wenn Elektronen aus dem Ferromagneten entnommen werden. Diese große Einschränkung kann überwunden werden, indem Licht durch seine Zirkularpolarisation, auch Helizität genannt, als weiterer Spinträger genutzt wird.
So wie Menschen vor Jahrhunderten Brieftauben nutzten, um schriftliche Kommunikation weiter und schneller zu transportieren, als dies zu Fuß möglich war, bestand die Kunst darin, den Elektronenspin auf Fotos, das Lichtquantum, zu übertragen.
Spin-LEDs erfüllen drei Kriterien
Das Vorhandensein einer Spin-Bahn-Kopplung, die auch für den Spininformationsverlust außerhalb des Ferromagneten verantwortlich ist, macht eine solche Übertragung möglich. Das entscheidende fehlende Glied besteht dann darin, die Magnetisierung elektrisch zu modulieren und dadurch die Helizität des emittierten Lichts zu ändern.
„Das Konzept der Spin-LEDs wurde erstmals Ende des letzten Jahrhunderts vorgeschlagen. Für den Übergang in eine praktische Anwendung muss es jedoch drei entscheidende Kriterien erfüllen: Betrieb bei Raumtemperatur, keine Notwendigkeit eines Magnetfelds und die Fähigkeit zur elektrischen Steuerung“, sagt der korrespondierende Autor der Studie, Yuan Lu, leitender CNRS-Forscher am Jean-Lamour-Institut.
„Nach mehr als 15 Jahren engagierter Arbeit in diesem Bereich hat unser kollaboratives Team alle Hindernisse erfolgreich überwunden.“
Den Forschern gelang es, die Magnetisierung eines Spininjektors durch einen elektrischen Impuls mithilfe des Spin-Bahn-Drehmoments umzuschalten. Der Spin des Elektrons wird schnell in Informationen umgewandelt, die in der Helizität der emittierten Photonen enthalten sind, was eine nahtlose Integration der Magnetisierungsdynamik mit photonischen Technologien ermöglicht.
Diese elektrisch gesteuerte Spin-Photonen-Umwandlung wird nun bei der Elektrolumineszenz von Leuchtdioden erreicht. Zukünftig durch die Umsetzung in Halbleiter Mithilfe von Laserdioden, sogenannten Spinlasern, könnte diese hocheffiziente Informationskodierung den Weg für eine schnelle Kommunikation über interplanetare Entfernungen ebnen, da die Polarisation des Lichts bei der Ausbreitung im Weltraum erhalten bleiben kann, was es möglicherweise zum schnellsten Kommunikationsmodus zwischen Erde und Mars macht.
Es wird auch der Entwicklung verschiedener fortschrittlicher Technologien auf der Erde großen Nutzen bringen, wie etwa optischer Quantenkommunikation und -berechnung, neuromorphem Computing für künstliche Intelligenz, ultraschnellen und hocheffizienten optischen Sendern für Rechenzentren oder Light-Fidelity (LiFi)-Anwendungen.
„Die Realisierung von Spin-Orbit-Torque-Spininjektoren ist ein entscheidender Schritt, der die Entwicklung ultraschneller und energieeffizienter Spinlaser für die nächste Generation optischer Kommunikations- und Quantentechnologien erheblich vorantreiben wird“, sagt Co-Autor Nils Gerhardt, Professor am Lehrstuhl für Photonik und Terahertz Technologie an der Ruhr-Universität Bochum.