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Walther-Meißner-Institut (WMI), Bayerische Akademie der Wissenschaften
Chair for Technical Physics (E23), Technische Universität München

Ferienakademie 2005

BADW

Lectures & Exercises
Practical Training
Seminars
Ferienakademie
Lecture Notes
Talks & Tutorials
 
 
(only available in German)
Ferienakademie

Sarntal/Südtirol - Sonntag, 18. September bis Freitag, 30. September 2005



Ferienakademie 2006:

Kurs 8: Spinelektronik

Dozenten:
Prof. Dr. Rudolf Gross, Technische Universität München
Prof. Dr. Paul Müller, Universität Erlangen-Nürnberg

Teilnehmer:
ca. 14 Studierende nach der DVP, Fachrichtungen Physik, Elektrotechnik, Informatik, Mathematik

Kursinhalt:

Der Kurs soll einen Einblick in das moderne Gebiet der Spinelektronik geben. Unsere heutige Elektronik basiert überwiegend auf der Bewegung und Speicherung von elektrischen Ladungen, d.h. sie nutzt nur den Ladungsfreiheitsfgrad des Elektrons aus. In den letzten Jahren galt das Forschungsinteresse nun vermehrt Systemen, deren Arbeitsweise nicht nur auf der Ladung der Elektronen basiert, sondern auch auf deren Spin. Durch die Ausnutzung von Ladung und Spin in neuartigen Bauelementkonzepten wird das weite Gebiet der Spinelektronik oder auch kurz Spintronik eröffnet, in dem elektrische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern und molekularen Systemen verknüpft werden. Im Rahmen des Kurses sollen die Grundlagen dieser modernen Forschungsrichtung erarbeitet werden und sowohl Festkörpersysteme, die durch Nanostrukturierung künstlich erzeugt werden (Top-Down-Approach), als auch molekulare Systeme (Bottom-Up-Approach) diskutiert werden.  Es sollen ferner einige aktuelle Anwendungen aus dem Bereich der Sensorik  (z.B Anwendungen in der Fahrzeugtechnik, dem Maschinenbau und der Medizintechnik) sowie neuartige spintronsiche Bauelemente für die Informations- und Kommunikationstechnologie (z.B. Magnetic Random Access Memory: MRAM, Spintransistoren) diskutiert werden.

Aufgrund ihrer Interdisziplinarität eignet sich die Thematik besonders zum Gedankenaustausch von Studenten unterschiedlicher Vorbildungen und Fachrichtungen. Dieser Gedankenaustausch, der in der alltäglichen Hochschulausbildung leider zu wenig Raum findet, ist für die Zukunft unerlässlich, damit neue Entwicklungen und Problemstellungen in einem größeren Umfeld gesehen und die oftmals existierenden Kommunikationsprobleme zwischen Naturwissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen abgebaut werden. Die Vortragsthemen sollen dabei das gesamte Aufgabenspektrum in Industrie und Forschung sichtbar machen.

Die Vorträge werden in Zusammenarbeit mit den betreuenden Lehrstühlen ausgearbeitet. Zusätzlich bilden begleitende Vorträge der beteiligten Dozenten einen fachlichen Rahmen, der auch bei unterschiedlicher Vorbildung den Studenten ein umfassendes Verständnis der Materie ermöglichen wird. Zusätzlich werden Einblicke in das aktuelle Forschungsgeschehen an den Lehrstühlen der Universität vermittelt.

Sollten weitere Informationen benötigt werden, so sind die Dozenten gerne zu einer Rücksprache bereit.

Bewerbungsschluß ist der 20.Mai 2005.

Freitzeit und Lernen: FERIEN-Akademie und Ferien-AKADEMIE

Der Grundgedanke der Ferien-Akademie ist es, besonders motivierte und begabte Studenten aus unterschiedlicher Fachrichtungen und Universitäten zum Gedankenaustausch in entspannter Atmosphäre zusammenzubringen. Angestrebt wird dazu eine ausgewogene Mischung aus Freizeit (FERIEN-Akademie) und Studium (Ferien-AKADEMIE). Durch Vorträge und Diskussionen, auch mit Teilnehmern anderer Kurse sollen den Studenten unterschiedliche Problemstellungen und moderne Lösungsansätze in der ganzen Variationsbreite verdeutlicht werden.
Für die entspannte Atmosphäre sorgt ein abwechslungsreiches Rahmenprogramm (Bergwandern, Ausflüge nach Bozen, Tischtennisturnier, Törgelen und vielem mehr). Außerdem bieten sich viele Gelegenheiten, Kontakte zu Professoren, Gästen aus der Industrie und vor allem auch Kommilitonen aus anderen Universitäten und Fachbereichen zu knüpfen.
Appetitanreger:

A: Anwendungen von spintronischen Bauelementen:

Sensor
Eine bereits erfolgreiche Anwendung der Spinelektronik sind Leseköpfe für Festplattenspeicher.  Basierend auf dem so genannten Riesenmagnetowiderstand (GMR: Giant Magnetoresistance)  wird seit etwa 1998 der sogenannte 'Spin Valve' Lesekopf  in der neuesten Generation von Dünnschicht-Leseköpfen in Festplatten eingesetzt. Dadurch wurde neue Rekordspeicherdichten erreicht. Mit Hilfe des GMR_Effekts lassen sich auch auf einfache Weise magnetoresistive Winkelsensoren (siehe Bild) realisieren, wie sie im Automobilbau benötigt werden (z.B. ABS, Drehung der Kurbelwelle, ''Steer by Wire'').


MRAM
Ein weiterer vielversprechender Kandidat für eine erfolgreiche Anwendung der Spinelektronik ist das MRAM (Magnetic Random Access Memory) als Alternative zum DRAM oder Flash Speicher (siehe Bilder). In Kürze werden durch den Einsatz von MRAMs grosse  Fortschritte in der Speichertechnologie erwartet. Im Gegensatz zu DRAMs sind MRAMs nicht flüchtig, so dass ihre Information nach Abschalten der Stromversorung nicht verloren geht.  MRAMs besitzen ferner  eine niedrige Leistungsaufnahme, kurze Zugriffszeiten, einfaches Design und damit eine erzielbare hohe Packungsdichte. Weiterhin ist der Lese- und  Schreibprozess der verwendeten Speichermatrix kompatibel mit der bestehenden  Metal-Oxid-Halbleiter Technologie (CMOS). Aus diesen Gründen werden sich die MRAMs wohl auch kurzfristig in den existierenden Märkten bewähren und zu neuen Arbeitsplätzen innerhalb der nächsten 4 bis 8 Jahre führen. Auf mittlerer Zeitskala könnten die MRAMs sogar die elektromechanische Festplattentechnologie  ersetzen.  

MRAM Infineon In einem MRAM ist die Information in der Magnetisierungsrichtung einer magnetischen Schicht (also mit Hilfe des Elektronenspins) gespeichert. MRAMs können mit Hilfe von magnetischen Tunnelkontakten realisiert werden, bei denen der Tunnelstrom von der relativen Magnetisierungsrichtung der beiden ferromagnetischen Elektroden des Tunnelkontakts abhängt. Durch Drehen der Magnetisierungsrichtung einer Tunnelelektrode kann zwischen niedrigem und hohem Tunnelwiderstand geschaltet werden (antiparallele Orientierung: hoher Widerstandswert -->"1", parallele Orientierung: niedriger Widerstandswert -->"0").







Literatur:    
Vorlesungsskript Spinelektronik von Prof. Gross
http://www.wmi.badw.de/teaching/lecturenotes/index.html





B: Molekulare Magnete:

siehe: http://www.pi3.physik.uni-erlangen.de/cool_ferric_wheels.html

Bild 2
Eisensterne: [FeFe3L6]    
Bild 4
Manganräder: MnIIÌ[MnII2MnIII4Cl6L36]
Bild 6
Dysprosium-Doppeldecker: [Pc2Dy] TBA

Bild 8

3d-STM-Bild eines Eisenstern-Moleküls
Bild 10


Link:  http://www.fz-juelich.de/iff/fs2005/ 
        
(mit Downloads)