Särskilda metalloxider skulle en dag kunna ersätta halvledarmaterial som idag vanligtvis används i processorer. Nu, för första gången, ett internationellt team av forskare från Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), universitetet i Kaiserslautern och universitetet i Fribourg i Schweiz kunde observera hur elektronisk laddningsexcitation förändrar elektronspin i metalloxider på ett ultrasnabbt sätt och i fas. Studien publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

I modern halvledarelektronik, det första nyckelsteget i varje transistor är att lyfta elektroner över det så kallade bandgapet i halvledaren. Elektroner måste röra sig genom ett material, dvs. i själva verket, icke ledande. "Efter att de har varit glada över bandgapet, elektronernas rörliga elektriska laddningar genererar de strömmar som används vid informationsbehandling. Dessa strömmar kan göra att processorerna blir varma, leder till energiförlust, " förklarar professor Wolf Widdra från Institutet för fysik vid MLU.

Spintronics försöker lösa detta problem med hjälp av så kallad spin. Detta är det inneboende vinkelmomentet för en elektron som producerar det magnetiska momentet, därigenom genererar den magnetism som används vid informationsbehandling. Kopplingen av elektroniska och magnetiska egenskaper bestämmer funktionaliteten. "Magnetiska oxider är en viktig klass av material för spintronik eftersom de inte överför elektronström, endast magnetisk information, säger Widdra, som ledde studien som en del av det gemensamma Collaborative Research Centre CRC/TRR 227 "Ultrafast Spin Dynamics" vid MLU och Freie Universität Berlin. Tills nyligen, dock, det hade inte varit klart hur elektronöverföringen över bandgapet i kombination med den magnetiska oxidens spinn. Teamet har nu framgångsrikt observerat denna process och har utvecklat en ny teori för den. Grupper av teoretiska och experimentella fysiker gick samman för att ta itu med denna fråga.

Med hjälp av en toppmodern, ultrakort puls laser, forskarna kunde excitera en elektron för att lyfta den över bandgapet i nickeloxid. De observerade också hur informationen sedan överfördes till det magnetiska systemet. Detta gjorde det möjligt för teamet att identifiera en tidigare okänd ultrasnabb kopplingsmekanism som inträffar på en femtosekundskala, dvs en kvadrilliondels sekund. "De komplexa många kroppsegenskaper som genereras genom exciteringen av elektronen av lasern har avslöjat denna överraskande observation men också fått oss att fundera länge och noggrant på hur vi ska tolka det korrekt, " tillägger Widdra.

Enligt fysikern, fynden banar nu väg för ultrasnabb spintronik. Detta bör underlätta utvecklingen av nya ultrasnabba lagringssystem och informationsteknik i framtiden.