Wissenschaftliche Ziele

In dem geplanten Schwerpunkt sollen durch intensive Zusammenarbeit von theoretischen, experimentellen und materialorientierten Gruppen die physikalischen Grundlagen für eine zukünftige Halbleiterelektronik unter Verwendung des Freiheitsgrades "Spin" erforscht wer- den. Der Schwerpunkt dient der koordinierten Zusammenführung mehrerer, bisher weitgehend getrennter Wissenschaftsdisziplinen. In der ersten Phase des Schwerpunktes liegt der Fokus auf der Kombination von Theorie, Experimentalphysik und Materialwissenschaften, um die Grundlagen für spintronische Bauelemente zu legen. In der zweiten Hälfte des Schwerpunktes soll neben der Grundlagenforschung die ingenieurwissenschaftliche Komponente - die in der ersten Hälfte des Schwerpunktes beispielsweise durch Herrn Prof. Osten vertreten sein wird - gestärkt werden, um ein größeres Gewicht auf die Entwicklung neuartiger Bauelemente und quantenmechanischer Schaltungsstrukturen zu legen. Zu einer besseren Strukturierung des Antrages sind die wissenschaftlichen Ziele und das Arbeitsprogramm in die gleichen Themenkomplexe aufgeteilt. Inhaltlich sind die aufgelisteten wissenschaftlichen Ziele natürlich deutlich miteinander verzahnt.

1. Spininjektion
   Die Injektion von spinpolarisierten Elektronen oder die lokale Polarisation ist eine Grundvoraussetzung für eine zukünftige Spintronik. Das Ziel im Rahmen dieses Schwerpunktes ist die effiziente, elektrische Spinausrichtung im Halbleiter bei Raumtemperatur.

2. Spintransport
   Die Spin-Bahn-Wechselwirkung wird in der Spintronik zur gezielten Manipulation des Spins ausgenutzt. Gleichzeitig ist die Spin-Bahn-Wechselwirkung verantwortlich für den Verlust der Spinorientierung beim Transport. Ziel ist ein verbessertes Verständnis der Spinrelaxation, um Spinrelaxationszeiten gezielt kontrollieren zu können. Dabei stehen zum einen extrem lange Spinrelaxationszeiten im Vordergrund, um den Verlust der Spinorientierung beim Transport zu vermeiden. Andererseits sollen ultra-kurze Spinrelaxationszeiten erforscht werden, die insbesondere bei sehr schnellen Bauelementen interessant werden können.

3. Spindynamik / gezielte Manipulation des Spins
   Für viele logische und optische Spin-Bauelemente ist die gezielte Manipulation des Spins Grundvoraussetzung. Das Ziel ist daher, die Steuerung der Spinorientierung über elektrische oder optische Signale reproduzierbar zu beherrschen.

4. Spin-Spin-Wechselwirkung
   Die meisten spintronischen Bauelemente werden nicht mit einzelnen Spins arbeiten. Die Spin-Spin-Wechselwirkung spielt daher eine wichtige Rolle. Ein detailliertes Verständnis der Elektron-Kern-Spinwechselwirkung ist wichtig, da die Hyperfeinwechselwirkung zu einer Ausrichtung der Kernspins und zu einer deutlichen Beeinflussung der Elektronenspindynamik / -relaxation beitragen kann. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Elektronenspins ist wichtig, um die Ausrichtung von Elektronenspins im Halbleiter in der Nähe von magnetischen Domänen (Proximity-Effekt) nutzen zu können und die Gruppengeschwindigkeit in Spinsystemen zu verstehen.

5. Spin-elektronische und Spin-optoelektronische Bauelemente
   Derzeit konzentrieren sich weltweit die meisten Aktivitäten auf die physikalischen Grund- lagen der Spintronik. Ziel dieses Schwerpunktes soll zusätzlich die Entwicklung neuartiger Konzepte für spintronische Bauelemente sein. Insbesondere sollen auch komplexere Logikschaltungen entwickelt werden, bei denen beispielsweise die Spin-Information innerhalb des ganzen Schaltungskreises kohärent erhalten bleibt und die Spin-Ladungsumwandlung nach außen verlegt wird.

6. Spin-Quanteninformationsverarbeitung
   Der Spin-Quantencomputer wäre das ultimative spintronische Bauelement. Ziel dieses Schwerpunktes ist, eine Schnittstelle zur aktuellen Quantencomputer-Forschung herzustellen, Konzepte für Spin-Quantengatter auf Halbleiterbasis zu entwickeln und vorhandene Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung auf einfache, quantenmechanische Spintronik-Bauelemente zu übertragen.