Wissenschaftler der Gruppe von Prof. Christian Bernhard am Physikdepartment der Universität Freiburg und des Fribourg Center for Nanomaterials (Frimat) haben in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis von neuartigen, elektrischen Bauelementen aus oxydischen Materialien geleistet. Die Entdeckung, die nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, könnte zur Entwicklung sogenannter multifunktionaler Bauelemente beitragen und damit eine schnellere und energiesparende Datenverarbeitung ermöglichen.

Die Miniaturisierung von Speicherkapazitäten in der Informationstechnologie stösst bald an ihre Grenzen. Sogenannte multifunktionale Bauelemente könnten hier Abhilfe schaffen, da sie Daten gleichzeitig erzeugen, verarbeiten und speichern.

Unsere heutige Informationstechnologie (IT) basiert auf künstlich gewachsenen Mehrfachschichten aus dotiertem Silizium. Diese erlauben es, die Beweglichkeit von Elektronen und damit einen elektrischen Strom gezielt zu manipulieren um, ähnlich einem Morse-Code, Information zu erzeugen und zu verarbeiten. Die Speicherung der Information wird mit anderen Bauelementen durchgeführt, die wie die Festplatten unserer Computer oder die „Memory-Sticks“ aus ferromagnetischen bzw. ferroelektrischen Materialien bestehen, in denen die Spins der Elektronen bzw. die elektrischen Dipole des Kristallgitters einen bestimmten Ordnungszustand aufweisen. Die phänomenale Entwicklung dieser Technologie resultiert aus der Reduzierung der Abmessungen dieser Bauelemente auf mittlerweile etwa 40 Nanometer (die Länge einer Kette von etwa 150 Atomen). Diese Miniaturisierung wird aber schon sehr bald an ihre fundamentalen Grenzen stossen.

Auf zu neuen Ufern

Eine zukunftsträchtige IT benötigt deshalb völlig neue Konzepte. Zu den interessanten Optionen gehören dabei so-genannte multifunktionale Bauelemente, in welchen, nebst der elektrischen Ladung, der Spin der Elektronen oder auch Ordnungsphänomene wie der Ferromagnetismus, die Ferroelektrizität oder die Supraleitung genutzt werden. Solche multifunktionalen Bauelemente könnten deutlich effizienter arbeiten und unterschiedliche Aufgaben gleichzeitig ausführen, wie z.B. das Erzeugen, Verarbeiten und Speichern von Daten, womit sich viel Zeit und Energie sparen liesse, die beim Datentransfer zwischen den verschiedenen Bauelementen verloren geht. Es wird deshalb intensiv an der Herstellung von geeigneten Materialien geforscht, in denen man solche gekoppelten elektrischen, superleitenden und magnetischen Zustände erzeugen und gezielt manipulieren kann.

Vielfalt ist Trumpf

Ein grosses Potential haben Multischichten aus oxydischen Materialien. An der Grenzfläche zwischen den beiden Isolatoren SrTiO3 und LaAlO3 bilden sich z.B. Elektronen, deren Beweglichkeit sich mit einem elektrischen Feld drastisch verändern lässt, die bei tiefen Temperaturen supraleitend werden und die zudem eine ferromagnetische Ordnung aufweisen. Die Forscher der Universität Freiburg haben nun mittels Infrarot-Ellipsometrie, einer optischen Technik, die sie über die letzten Jahre entwickelt und perfektioniert haben, an dieser LaAlO3/SrTiO3-Grenzschicht noch ein weiteres Ordnungsphänomen nachgewiesen. Es handelt sich dabei um eine polare Ordnung des Kristallgitters, die ähnlich wie in einem ferroelektrischen Material mit einem elektrischen Feld gesteuert werden kann. Sie konnten auch zeigen, dass diese polare Ordnung einen ungewöhnlich grossen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit der Elektronen und wohl auch auf die Supraleitung hat. Die ungewöhnlich vielfältigen Eigenschaften dieser oxydischen Multischichten sind noch Gegenstand der Grundlagenforschung, könnten aber schon bald zur Entwicklung einer neuen elektronischen oder „multitronischen“ Technologie beitragen.

Link zur Publikation:
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i13/e136805

Kontakt: Prof. Christian Bernhard, Departement für Physik und Fribourg Center for Nanomaterials (Frimat), Universität Freiburg, 026 300 90 70, christian.bernhard@unifr.ch