SFB 689: Spinphänomene in reduzierten Dimensionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Forschungsgegenstand des Sonderforschungsbereichs 689 waren “Spinphänomene in reduzierten Dimensionen“ und beinhaltete die Charakterisierung, Kontrolle und Manipulation des Spinfreiheitsgrades in niedrig dimensionalen Systemen wie z.B. Kohlenstoffnanoröhren (zylindrische Kohlenstoffröhren), Graphen (einatomige Lagen aus Kohlenstoff), Halbleiterfilme und zweidimensionale Elektronensysteme sowie einzelne Moleküle oder Anordnungen von einzelnen Atomen auf Festkörperoberflächen. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen, wie z.B. Elektronen, und verhält sich wie ein Drehimpuls. Im Falle von Elektronen besitzt der Drehimpuls den Wert ±½ħ, wobei ħ die reduzierte Planck Konstante ist. Das magnetische Moment, das mit diesem Spin verknüpft ist, hat demzufolge nur zwei Einstellmöglichkeiten, parallel oder anti-parallel zu einem äußeren Magnetfeld. Im Rahmen des SFB 689, als auch im weiteren Feld der Spintronik wird versucht neben der elektrischen Elementarladung –e des Elektrons auch dessen Spin für neue Funktionalitäten im Bereich der Elektronik oder des Quantencomputing zu nutzen. Eine wichtige Größe, die den Spin charakterisiert, ist die Spin-Relaxationszeit, welche die Zeit beschreibt in der eine Spinpopulation mit bestimmter Ausrichtung zerfällt. Ein charakteristisches Bauelement, welches den Spin der Elektronen neben ihrer Ladung nutzt, ist der Spintransistor, der vor nahezu 30 Jahren vorgeschlagen wurde, aber immer noch auf seine experimentelle Realisierung wartet. Selbst Moleküle können eine solche Transistorfunktion unter Mitwirkung eines Spins aufweisen. Dies sind nur einige wenige Beispiele der Fragestelllungen mit denen sich das Konsortium beschäftigte. In der Laufzeit des Sonderforschungsbereichs wurden viele wichtige Entdeckungen gemacht und Konzepte entwickelt, die zum Fortschritt des Gebiets an vorderster Front der Wissenschaft beigetragen haben. Ein Beispiel hierfür ist eine neue Theorie auf der Basis von resonanter Streuung zur Spinrelaxation in Graphen, welche mit Experimenten sehr gut übereinstimmt. Wir haben auch demonstriert, dass Kohlenstoffnanoröhren in Kombination mit Supraleitern genutzt werden können um quantenmechanisch verschränkte Elektronen zu erzeugen. Solche Verschränkungen könnten in Kommunikations- und Computing-Techniken Eingang finden. Ein weiteres anschauliches Beispiel ist die atomar aufgelöste Spinstruktur in NiO Einkristallen. Mittels Rasterkraftmikroskopie konnten wir die antiferromagnetische Ausrichtung benachbarter Atome in NiO direkt sichtbar machen. Der „heilige Gral“ auf dem Gebiet der Spintronik besteht in einer effizienten, rein elektrischen Injektion und Detektion von Spins und wurde als eines der zentralen Ziele des SFB identifiziert. In diesen Experimenten werden Spins aus einem ferromagnetischen Injektor in ein nichtmagnetisches Material, wie z.B. ein zweidimensionales Elektronengas in Graphen oder in einer Halbleiter-Heterostruktur, injiziert. Mit einer Art invertiertem Prozess können diese Spins mit einem weiteren ferromagnetischen Kontakt elektrisch detektiert werden. Typische, spinabhängige Widerstandsänderungen betrugen bisher weniger als 1%. Mit ferromagnetischen Halbleitern (die in Regensburg gewachsen wurden) als Injektor und Detektor, einer Spinventil-Geometrie und epitaktischen Grenzflächen konnten wir spinabhängige Widerstandsänderungen von 80% erreichen. Sogar eine Spin-Solarzelle, in der Licht einen Spinstrom erzeugt, konnte realisiert werden. Ein weiterer Effekt, der sowohl theoretisch als auch experimentell ausführlich untersucht wurde, ist der Spin-Halleffekt (SHE). Zum einen konnte erstmals der ac SHE im Experiment nachgewiesen werden, zum anderen parasitäre Spannungen, die den dc SHE verfälschen, durch eine neue Messgeometrie vermieden werden. Ein wichtiger Bestandteil des SFB war die enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment, die zu einem neuen Spintransistor Konzept und zu neuen Erkenntnissen zur persistenten Spinhelix führten. Ab-initio Rechnungen haben sich z.B. bei der Berechnung des SHE als effektives Werkzeug herausgestellt um komplexe quantenmechanische Probleme anzugehen und Resultate zu erzielen, die direkt mit dem Experiment verglichen werden können. Nicht zuletzt hat die im SFB gewonnen Expertise auch dazu geführt, dass wir schnell auf neue Gebiete wie die (Spin-)Physik von 2D-Materialien, z.B. Dichalkogenide, einsteigen konnten. Deshalb konnten wir auch hier mit wissenschaftlichen Ergebnissen an der vorersten Front der Wissenschaft beitragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Zero-bias spin separation. Nature Physics 2, 609 (2006)
S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, S.A. Tarasenko, S.N. Danilov, S. Giglberger, Ch. Hoffmann, E.L. Ivchenko, D. Weiss, W. Wegscheider, Ch. Gerl, D. Schuh, J. Stahl, J. De Boeck, G. Borghs, W. Prettl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys390) - Tunneling anisotropic magnetoresistance and spin-orbit coupling in Fe/GaAs/Au tunnel junctions. Phys. Rev. Lett. 99, 056601 (2007)
J. Moser, A. Matos-Abiague, D. Schuh, W. Wegscheider, J. Fabian, D. Weiss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.99.056601) - All-Electrical Detection of the Relative Strength of Rashba and Dresselhaus Spin-Orbit Interaction in Quantum Wires. Phys. Rev. Lett. 101, 266401 (2008)
M. Scheid, M. Kohda, Y. Kunihashi, K. Richter, J. Nitta
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.101.266401) - Anisotropic tunneling magnetoresistance and tunneling anisotropic magnetoresistance: Spin-orbit coupling in magnetic tunnel junctions. Phys. Rev. B 79, 155303 (2009)
A Matos-Abiague, J Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.155303) - Band-structure topologies of graphene: Spin-orbit coupling effects from first principles. Phys. Rev. B 80, 235431 (2009)
M. Gmitra, S. Konschuh, C. Ertler, C. Ambrosch-Draxl, J. Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.235431) - Ferromagnetic GaAs/GaMnAS Core-Shell Nanowires Grown by Molecular Beam Epitaxy. Nano Lett. 9 3860 (2009)
A. Rudolph, M. Soda, M. Kiessling, T. Wojtowicz, D. Schuh, W. Wegscheider, J. Zweck, C.H. Back, E. Reiger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl9020717) - Interference effects on the transport characteristics of a benzene single-electron transistor. Phys. Rev. B 79, 235404 (2009)
D. Darau, G. Begemann, A. Donarini, M. Grifoni
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L. G. Herrmann, F. Portier, P. Roche, A. Levy Yeyati, T. Kontos, C. Strunk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.104.026801) - Calculating condensed matter properties using the KKR-Green's function method-recent developments and applications. Rep. Prog. Phys 9, 096501 (2011)
H. Ebert, D. Koedderitzsch, J. Minar
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T. Korn, S. Heydrich, M. Hirmer, J. Schmutzler, C. Schüller
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C. Song, M. Sperl, M. Utz, M. Ciorga, G. Woltersdorf, D. Schuh, D. Bougeard, C.H. Back, D. Weiss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.107.056601) - Spin dephasing and photoinduced spin diffusion in a high-mobility two-dimensionl electron system embedded in a GaAs-(Al,Ga) As quantum well grown in the [110] direction. Phys. Rev. B 83, 241306 (2011)
R. Völkl, M. Griesbeck, S.A. Tarasenko, D. Schuh, W. Wegscheider, C. Schüller, T. Korn
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.241306) - Universality of the Kondo Effect in Quantum Dots with Ferromagnetic Leads. Phys. Rev. Lett. 107, 176808 (2011)
M. Gaass, A. K. Hüttel, K. Kang, I. Weymann, J. von Delft, Ch. Strunk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.107.176808) - Bulk electronic structure of the dilute magnetic semiconductor Ga1-xMnxAs through hard X-ray angle resolved photoemission. Nature Mater. 11, 957 (2012)
A.X. Gray, J. Minár, S. Ueda, P.R. Stone, Y. Yamashita, J. Fujii, J. Braun, L. Plucinski, C.M. Schneider, G. Panaccione, H. Ebert, O.D. Dubon, K. Kobayashi, C.S. Fadley
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmat3450) - Controlled Lateral Manipulation of Molecules on Insulating Films by STM. Nano Lett. 12, 1070 (2012)
I. Swart, T. Sonnleitner, J. Niedenführ, J. Repp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nl204322r) - Spin Transistor Action from Hidden Onsager Reciprocity. Phys. Rev. Lett. 108, 236601 (2012)
İ. Adagideli, V. Lutsker, M. Scheid, P. Jacquod, K. Richter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.236601) - Spin-Transistor Action via Tunable Landau-Zener Transitions. Science 337, 324 (2012)
C. Betthausen, T. Dollinger, H. Saarikoski, V. Kolkovsky, G. Karczewski, T. Wojtowicz, K. Richter, D. Weiss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1221350) - Annealing-induced magnetic moments detected by spin precession measurements in epitaxial graphene on SiC. Phys. Rev. B 87, 081405 (2013)
B. Birkner, D. Pachniowski, A. Sandner, M. Ostler, T. Seyller, J. Fabian, M. Ciorga, D. Weiss, J. Eroms
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.081405) - Sensor for Noncontact Profiling of a Surface. US patent 8,393,009, granted March 5 2013
F.J. Giessibl
- Sensor zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche. F.J. Giessibl, Patent DE 10 2010052037, granted April 18 2013
F.J. Giessibl
- Spin Resolution and Evidence for Superexchange on NiO(001) Observed by Force Microscopy. Phys. Rev. Lett. 110, 266101 (2013)
F. Pielmeier, F.J. Giessibl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.110.266101) - Electrical Spin Injection into High Mobility 2D Systems. Phys. Rev. Lett. 113, 236602 (2014)
M. Oltscher, M. Ciorga, M. Utz, D. Schuh, D. Bougeard, D. Weiss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.113.236602) - Graphene spintronics. Nature Nanotech. 9, 794 (2014)
W. Han, R.K. Kawakami, M. Gmitra, J. Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2014.214) - Inverse spin Hall effect in Ni81Fe19/normal-metal bilayers. Phys. Rev. B 89, 060407 (2014)
M. Obstbaum, M. Härtinger, H. G. Bauer, T. Meier, F. Swientek, C.H. Back, G. Woltersdorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.060407) - Spin Hall voltages from a.c. and d.c. spin currents. Nature Commun. 5, 3768 (2014)
D. Wie, M. Obstbaum, M. Ribow, C.H. Back, G. Woltersdorf
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms4768) - Spin relaxation mechanism in graphene: resonant scattering by magnetic impurities. Phys. Rev. Lett. 112, 116602 (2014)
D Kochan, M Gmitra, J Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.112.116602) - Broken SU(4) symmetry in a Kondo-correlated carbon nanotube. Phys. Rev. B 91, 155435 (2015)
D.R. Schmid, S. Smirnov, M. Margańska, A. Dirnaichner, P.L. Stiller, M. Grifoni, A.K. Hüttel, C. Strunk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.155435) - Graphene on transition-metal dichalcogenides: A platform for proximity spin-orbit physics and opto spintronics. Phys. Rev. B 92, 155403 (2015)
M. Gmitra, J. Fabian
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.155403) - Sensor for Noncontact Profiling of a Surface. Chinese patent filing number 201110373640.4, granted August 6 2015
F.J. Giessibl
- Spin Hall effects. Rev. Mod. Phys 87, 1213 (2015)
Jairo Sinova, Sergio O. Valenzuela, J. Wunderlich, C. H. Back, and T. Jungwirth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1213) - Subatomic resolution force microscopy reveals internal structure and adsorption sites of small iron clusters. Science 348, 308 (2015)
M. Emmrich, F. Huber, F. Pielmeier, J. Welker, T. Hofmann, M. Schneiderbauer, D. Meuer, S. Polesya, S. Mankovsky, D. Ködderitzsch, H. Ebert, F.J. Giessibl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aaa5329) - Control of spin helix symmetry in semiconductor quantum wells by crystal orientation. Phys. Rev. Lett. 117, 236801 (2016)
M. Kammermeier, P. Wenk, J. Schliemann
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M. Schwemmer, A. Hanninger, M. Weingartner, M. Oltscher, M. Ciorga, D. Weiss, D. Schuh, D. Bougeard, T. Korn, C. Schüller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4966184) - Robust spin-orbit torque and spin-galvanic effect at the Fe/GaAs (001) interface at room temperature. Nature Commun. 7, 13802 (2016)
L. Chen, M. Decker, M. Kronseder, R. Islinger, M. Gmitra, D. Schuh, D. Bougeard, J. Fabian, D. Weiss, C. Back
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms13802) - Trion fine structure and coupled spin-valley dynamics in monolayer tungsten disulfide. Nature Commun. 7, 12715 (2016)
G. Plechinger, P. Nagler, A. Arora, R. Schmidt, A. Chernikov, A.G. del Aguila, P.C.M. Christianen, R. Bratschitsch, C. Schüller, T. Korn
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms12715) - Apparent reversal of molecular orbitals reveals entanglement. Phys. Rev. Lett 119, 056801 (2017)
P. Yu, N. Kocić, J. Repp, B. Siegert, A. Donarini
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.056801) - Femtosecond photo-switching of interface polaritons in black phosphorus heterostructures. Nature Nanotech. 12, 207 (2017)
M.A. Huber, F. Mooshammer, M. Plankl, L. Viti, F. Sandner, L.Z. Kastner, T. Frank, J. Fabian, M.S. Vitiello, T.L. Cocker, R. Huber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2016.261) - Gate-tunable large magnetoresistance in an all-semiconductor spin-transistor-like device. Nature Commun. 8, 1807 (2017)
M. Oltscher, F. Eberle, T. Kuczmik, A. Bayer, D. Schuh, D. Bougeard, M. Ciorga, D. Weiss
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-017-01933-2) - Nanotesla magnetoresistance in π-conjugated polymer devices. Phys. Rev. B 95, 241407(R) (2017)
P. Klemm, A. Schmid, S. Bange, J.M. Lupton
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.241407) - Persistent Spin Textures in Semiconductor Nanostructures. Rev. Mod. Phys. 89, 011001 (2017)
John Schliemann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.011001) - Spectral focusing of broadband silver electroluminescence in nanoscopic FRET-LEDs. Nature Nanotech. 12, 637 (2017)
R.P. Puchert, F. Steiner, G. Plechinger, F. Hofmann, I. Caspers, J. Kirschner, P. Nagler, A. Chernikov, C. Schüller, T. Korn, J. Vogelsang, S. Bange, J.M. Lupton
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2017.48) - Spin Physics in Semiconductors, ed. M.I. Dyakonov (Springer 2008) pp. 245-277. ISBN:3540788190 (second edition, extended, 2017, ASIN: B0765Z649V)
E.L. Ivchenko, S.D. Ganichev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-540-78820-1_9) - Emergence of anisotropic Gilbert damping in ultrathin Fe layers on GaAs(001). Nature Phys. (2018)
L. Chen, S. Mankovsky, S. Wimmer, M.A.W. Schoen, H.S. Körner, M. Kronseder, D. Schuh, D. Bougeard, H. Ebert, D. Weiss, C.H. Back
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41567-018-0053-8)
