Die Forscher Ibuki Taniuchi, Ryota Akiyama, Rei Hobara und Shuji Hasegawa von der Universität Tokio haben gezeigt, dass die Richtung des spinpolarisierten Stroms in einer Einzelatomschicht einer Thallium-Blei-Legierung bei Bestrahlung auf nur eine Richtung beschränkt werden kann bei Raumtemperatur. Die Entdeckung widerspricht allen Konventionen: Es wurde angenommen, dass Einzelatomschichten nahezu vollständig transparent sind, d. h., dass sie Licht kaum absorbieren oder mit Licht interagieren. Der in dieser Studie beobachtete unidirektionale Stromfluss ermöglicht Funktionen, die über gewöhnliche Dioden hinausgehen, und ebnet den Weg für eine umweltfreundlichere Datenspeicherung und ultrafeine zweidimensionale spintronische Geräte in der Zukunft. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Nano.
Dioden sind grundlegende Bausteine moderner Elektronik, da sie den Stromfluss nur in eine Richtung beschränken. Je dünner das Gerät jedoch ist, desto komplizierter wird die Konstruktion und Herstellung dieser Funktionskomponenten. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Phänomene aufzuzeigen, die solche Entwicklungsleistungen ermöglichen könnten. Spintronik ist ein Forschungsgebiet, in dem Forscher den Eigendrehimpuls (Spin) von Elektronen beispielsweise durch die Anwendung von Licht manipulieren.
„Spintronik hatte traditionell mit dickeren Materialien zu tun“, sagt Akiyama. „Wir waren jedoch aufgrund ihrer inhärent spannenden Eigenschaften eher an sehr dünnen Systemen interessiert. Deshalb wollten wir beide kombinieren und die Umwandlung von Licht in spinpolarisierten Strom in einem zweidimensionalen System untersuchen.“
Die Umwandlung von Licht in spinpolarisierten Strom wird als zirkulärer photogalvanischer Effekt (CPGE) bezeichnet. Im spinpolarisierten Strom richten sich die Spins der Elektronen in eine Richtung aus, wodurch der Fluss des elektrischen Stroms abhängig von der Polarisation des Lichts auf eine Richtung beschränkt wird. Das Phänomen ähnelt herkömmlichen Dioden, bei denen der elektrische Strom abhängig von der Polarität der Spannung nur in eine Richtung fließen kann. Mithilfe von Thallium-Blei-Legierungen untersuchten die Forscher, ob dieses Phänomen auch in Schichten beobachtet werden kann, die so dünn wie ein einzelnes Atom sind (zweidimensionale Systeme). Sie führten die Experimente im Ultrahochvakuum durch, um Adsorption und Oxidation des Materials zu vermeiden und so seine „wahren Farben“ zum Vorschein zu bringen. Als die Forscher die Legierungen mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlten, konnten sie die Änderungen in Richtung und Stärke des fließenden elektrischen Stroms beobachten.
„Noch überraschender“, sagt Akiyama, „war es ein spinpolarisierter Strom: Aufgrund der neuartigen Eigenschaften dieser dünnen Legierungen war die Richtung des Elektronenspins mit der Richtung des Stroms ausgerichtet.“
Diese zuvor vom Team entwickelten dünnen Legierungen zeigten einzigartige elektronische Eigenschaften und gaben dem Team zufällig einen Hinweis für die aktuelle Studie. Ausgestattet mit diesem neuen Wissen blickt Akiyama in die Zukunft.
„Diese Ergebnisse zeigen, dass Grundlagenforschung für Anwendungen und Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist. In dieser Studie wollten wir ein optimiertes System beobachten. Als nächsten Schritt möchten wir neben der Suche nach neuartigen zweidimensionalen dünnen Legierungen mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften.“ einen Laser mit niedrigerer Energie (Terahertz) zu verwenden, um die Anregungspfade zu verengen, die CPGE induzieren. Auf diese Weise könnten wir die Umwandlungseffizienz von Licht in spinpolarisierten Strom erhöhen.
