DE10019697A1 - Verfahren zur Erzeugung und Charakterisierung von spinpolarisierten Ladungsträgersystemen und darauf beruhende Bauelemente - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung und Charakterisierung von spinpolarisierten Ladungsträgersystemen in Festkörpern (10) durch ein inhomogenes Magnetfeld, das durch ein magnetisches Material (12) oder durch einen stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird und auf diesem Verfahren beruhende Bauelemente. Das Verfahren erlaubt insbesondere, die elektrischen Kontakte an die Ladungsträgersysteme und die Erzeugung und Charakterisierung der Spinpolarisation räumlich oder elektrisch zu trennen. Auf diesem Verfahren beruhende Bauelemente können als Spintransistor, als Magnetfeldsensor, zur magnetischen Datenspeicherung und zur Realisierung von Schaltkreisen, die auf der Basis von Quantenlogik operieren, verwendet werden.

Description

Die Funktion der meisten elektronischen Bauelemente beruht auf Elektronen bzw. Löchern als Ladungsträgern. Diese besitzen einen quantenmechanischen Eigendrehimpuls (Spin) von ℏ/2. Der entsprechende quantenmechanische Operator hat zwei Eigenwerte, m_s = +1/2 und m_s = -1/2, die zugehörigen Eigenzustände werden gewöhnlich als "spin up" und "spin down" bezeichnet. Elektronische Transportprozesse hängen i. A. von dem Spinzustand des Ladungsträgers ab. Beispiele sind die spinabhängige Streuung von La­ dungsträgern untereinander oder zwischen Ladungsträgern und Störstellen. In den meisten Materialien - ausgenommen z. B. ferromagnetische und semimagnetische Stoffe - treten die­ se Spinzustände bei Zimmertemperatur jedoch nahezu gleich häufig auf. Es ergibt sich im Mittel also kein Überschuß von Ladungsträgern einer bestimmten Spinorientierung: die Spinpolarisation der Ladungsträger verschwindet im Mittel. Effekte, die auf der Spinpolari­ sation beruhen, können in elektronischen Bauelementen aus solchen Materialien nicht aus­ genutzt werden. Dies gilt insbesondere für konventionelle Halbleiter wie Si oder GaAs, die die Grundlage der Mikroelektronik bilden. Vorrichtungen, die Ladungsträger mit einer be­ vorzugten Spinorientierung verwenden, bieten jedoch neue Möglichkeiten und Vorteile. Genannt seien hier Magnetfeldsensoren (D. J. Monsma, J. C. Lodder, Th. J. A. Popma and B. Dieny, Phys. Rev. Lett. 74, 5260 (1995)), die z. B. in der Magnetspeichertechnik, insbe­ sondere in Schreib-Lese-Köpfen von Festplatten, bereits breite Anwendung finden, weiter­ hin die nichtflüchtige Speicherung von Daten in integrierten Schaltkreisen (magnetic random access memory, MRAM) oder Schaltkreise, die auf der Basis von Quantenlogik operieren (C. H. Bennett and D. P. DiVincenzo, Nature 404, 247 (2000)). Ein Ensemble von La­ dungsträgern soll dabei als spinpolarisiert gelten, wenn in demselben ein Spinzustand häufi­ ger auftritt als der andere, und nicht erst dann, wenn ausschließlich eine Spinspezies vor­ handen ist.

Es ist wohl bekannt, daß sich durch Beleuchtung mit zirkular polarisiertem Licht geeignet gewählter Photonenenergie in einem Halbleiter spinpolarisierte Ladungsträger erzeugen lassen (D. Hägele, D. Oestreich, W. W. Rühle, N. Nestle and K. Eberl, Appl. Phys. Lett. 73, 1580 (1998)). Durch das Anlegen von geeigneten Potentialdifferenzen an einen so beleuch­ teten Halbleiter lassen sich spinpolarisierte Ströme in ihn einprägen. Um aber z. B. die Vor­ teile einer hohen Integrationsdichte ausnutzen zu können, ist statt der optischen Anregung eine rein elektrische Erzeugung von spinpolarisierten Ladungsträgern wünschenswert.

Eine Möglichkeit hierzu bieten spinabhängige Streu- oder Tunnelprozesse an sehr dünnen magnetischen Schichten. Ein bekanntes Beispiel ist der sog. riesige Magnetowiderstand (giant magnetoresistance, GMR) zwischen zumindest zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine nicht-ferromagnetische Schicht getrennt sind (M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich and J. Chazelas, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)). Allerdings findet beim riesigen Magnetowiderstand und ähnlichen Effekten der Ladungstransport meist weit entfernt vom thermischen Gleichge­ wicht statt (sog. "heiße" Ladungsträger), was nicht mit allen Anwendungen verträglich ist. Auch sind im allgemeinen sehr dünne Vielfachschichten aus speziellen Materialien vonnöten, was die Integration beispielsweise in moderne mikroelektronische Bauelemente erschwert.

Eine andere bekannte Möglichkeit zur Erzeugung von spinpolarisierten Ladungsträgern ist die Injektion von Ladungsträgern aus einer ferromagnetischen Kontaktschicht (M. Johnson, US-Patent 5,432,373), da in Kontaktschichten aus solchen Materialien die elektronische Zustandsdichte an der Fermikante für die zwei Spinzustände unterschiedlich ist. Bei der Strominjektion aus der Kontaktschicht in den angrenzenden Festkörper, z. B. einen Halblei­ ter, treten dann bevorzugt Ladungsträger einer Spinorientierung in letzteren über; der ein­ geprägte Strom wird von spinpolarisierten Ladungsträgern getragen. Bringt man ferroma­ gnetische Kontaktschichten auf Halbleiter auf, so ergeben sich jedoch an der Grenzfläche zwischen ihnen durch Interdiffusion oder Legierungsbildung meist sog. magnetisch tote Lagen, die die spinpolarisierte Injektion stark beeinträchtigen und bei einer Dicke von weni­ gen Monolagen die Spinpolanisation vollständig zerstören. Es ist bekannt, daß sich diese Schwierigkeiten durch den Einsatz von dünnen Trennschichten (Tunnelbarrieren) umgehen lassen, allerdings führen solche Trennschichten meist zu hohen elektrischen Widerständen. Eine weitere Möglichkeit stellen Kontaktschichten aus semimagnetischen Halbleitern, z. B. BeMnZnSe oder GaMnAs, dar (R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag and L. W. Molenkamp, Nature 402, 787 (1999); Y. Ohno, D. K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno and D. D. Awschalom, ibid., 790 (1999)).

Allen oben aufgeführten Verfahren zur Einprägung eines Stroms von spinpolarisierten La­ dungsträgern in einen Festkörper ist gemein, daß die Injektion von Ladungsträgern in den Festkörper und die Spinpolarisation der Ladungsträger durch ein und denselben Kontakt realisiert wird. Daher ist eine räumliche und elektrische Trennung von Kontakt und spinpo­ larisierender Vorrichtung unmöglich. Dies ist zum Beispiel hinsichtlich der Anwendung auf niedrigdimensionale Ladungsträgersysteme in Halbleitern von Nachteil, da zur guten elektri­ schen Kontaktierung derselben im allgemeinen spezielle Kontaktmaterialien nötig sind, die sich aber nicht zur Spinpolarisation eignen. Ein Verfahren, das es erlaubt, spinpolarisierte Elektronen- bzw. Löchergase (im folgenden zusammenfassend Ladungsträgersysteme ge­ nannt) in einem Festkörper unabhängig von den stromeinprägenden Kontakten zu erhalten, ist daher wünschenswert. Es wird also ein neues Verfahren gesucht, das es erlaubt, ohne die Einwirkung von Photonen sowie unabhängig von den jeweiligen Eigenschaften der Kon­ taktschichten zur Stromeinprägung und ggf. von denselben räumlich oder elektrisch ge­ trennt eine Spinpolarisation der Ladungsträger in einem Festkörper zu erzielen. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, ein Verfahren zu haben, das nicht durch die mit Tunnelbar­ rieren verbundenen Schwierigkeiten eingeschränkt ist. Schließlich wird ein Verfahren ge­ sucht, das auch auf die Erzeugung einer Spinpolarisation in Halbleitern und insbesondere auf die Erzeugung von Spinpolarisation in dimensionsreduzierten Ladungsträgersystemen in Halbleitern, Halbleiterschichtstrukturen, oder Halbleiter-Isolator-Schichtstrukturen ange­ wendet werden kann, z. B. in Quantenfilmen, Quantendrähten und in zwei- und eindimensio­ nalen Elektronen- und Löchergasen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt diese Anforderungen, indem durch eine Vorrich­ tung, die von den stromeinprägenden Kontaktschichten an den jeweiligen Festkörper unab­ hängig sein kann, in dem Festkörper ein inhomogenes Magnetfeld ausgebildet wird. Die Richtung des mittleren Magnetfeldes sowie des Magnetfeldgradienten soll dabei im Wesent­ lichen parallel bzw. antiparallel zur Transportrichtung der Ladungsträger (bzw. zur Strom­ richtung) sein. Die Transportrichtung liege entlang der x-Richtung. Da die stromtragenden Ladungsträger aufgrund ihres Spins stets auch ein magnetisches Moment m aufweisen, erfahren sie im magnetischen Gradienten des inhomogenen Magnetfeldes B die Kraft F = ∇(m.B). Die fett dargestellten Größen sind dabei Vektoren, der Nabla-Operator

entsprechend. Für Atomstrahlen bildet dieser Effekt die Grundlage des wohl bekannten Stern-Gerlach-Experimentes (W. Gerlach und O. Stern, Z. Physik 9, 349 (1922)). Im Fall stationärer Felder gilt F = ∇(m.B) = (m.∇)B (J. D. Jack­ son, Classical Electrodynamics, 2^nd edition, Wiley (1995)). Einfachheitshalber werden wir im folgenden stets annehmen, daß nur eine kartesische Komponente des magnetischen Mo­ ments von 0 verschieden ist, in diesem Fall

Dann vereinfacht sich der Aus­ druck für die Kraft zu F = (m.∇)B = m_xδ_xB. Die Komponente F_x = m_xδ_xB_x dieser Kraft entlang der Stromrichtung bremst oder beschleunigt die Ladungsträger je nach der relativen Orientierung zwischen deren magnetischem Moment und dem magnetischen Feldgradienten und führt so zu Unterschieden im Strom von Ladungsträgern mit unterschiedlicher Spinori­ entierung. Der inhomogene Bereich des Magnetfeldes wirkt daher spinpolarisierend auf die Ladungsträger.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem Fest­ körper, an dem zwei Kontaktkörper zur Stromeinprägung und mindestens eine das inhomo­ gene Magnetfeld erzeugende Struktur vorgesehen sind. Dabei kann letztere eine ferroma­ gnetische oder antiferromagnetische Schicht oder eine Schicht aus einem semimagnetischen Material sein, oder durch eine normal- oder supraleitende Leiterbahn, oder durch eine Gra­ dientenspule gebildet werden.

Neben der Erzeugung ist auch die Charakterisierung der Spinpolarisation eines Ladungsträ­ gersystems für viele Anwendungen relevant. Zur Detektion der Spinpolarisation von La­ dungsträgern können alle oben angeführten Methoden eingesetzt werden. Bekannt ist die Möglichkeit, die Spinpolarisation der Ladungsträger in einem Halbleiter durch Messung der zirkular polarisierten Anteile des abgestrahlten Photolumineszenzlichts zu bestimmen. Sinn­ gemäß gilt auch hier, daß die notwendige optische Spektroskopie die technische Relevanz dieser Nachweismethode drastisch beschränkt. Bekannt ist auch, daß spinabhängige Tunnel- oder Streuprozessen in sehr dünnen Schichtsystemen zur Detektion von spinpolarisierten Ladungsträgern in Festkörpern verwendet werden können. Schließlich ist bekannt, daß auch elektrische Kontakte aus magnetischen Materialien auf einem Halbleiter zur Charakterisie­ rung der Spinpolarisation eines Ladungsträgersystems verwendet werden können. Hier kön­ nen jedoch magnetisch tote Lagen wie im Falle der Erzeugung von spinpolarisierten La­ dungsträgersystemen durch Injektion aus einem magnetischen Kontakt die Empfindlichkeit stark reduzieren. Ein zweiter Grund für die geringe Empfindlichkeit dieses Verfahrens ist die Tatsache, daß zwar im Ferromagneten an der Fermikante bevorzugt Zustände einer Spin­ orientierung besetzt sind, trotzdem die Zustandsdichte an der Fermikante für beide Spinzu­ stände deutlich größer ist als diejenige im Halbleiter. Daher findet jeder Ladungsträger im Halbleiter einen freien Zustand im Ferromagneten, die Spinselektivität des Übergangs ist gering. Wie im Zusammenhang mit der Erzeugung von spinpolarisierten Ladungsträgersy­ stemen bereits angesprochen, wird die Anwendbarkeit der genannten Meßverfahren z. B. auf niedrigdimensionale Systeme wegen der Untrennbarkeit von elektrischem Kontakt und Spindetektion stark eingeschränkt.

Erfindungsgemäß kann das eingangs genannte Verfahren ebenfalls dazu herangezogen wer­ den, eine Spinpolarisation von Ladungsträgern zu detektieren. Dabei wird das Verfahren nicht auf ein unpolarisiertes Ladungsträgersystem angewandt, sondern auf einen bereits spinpolarisierten Strom. Analog zur Funktion des spinpolarisierenden Verfahrens erzeugt eine Vorrichtung ein inhomogenes Magnetfeld in einem Festkörper, in den von dieser Vor­ richtung unabhängig ein Strom von spinpolarisierten Ladungsträgern eingeprägt ist, z. B. durch das erfindungsgemäße oben beschriebene spinpolarisierende Verfahren. Die magneti­ schen Momente der jeweiligen Ladungsträger erfahren wegen des durch das inhomogene Magnetfeld erzeugten magnetischen Gradienten wie oben beschrieben eine Kraft je nach ihrer relativen Orientierung zum Feldgradienten. Diese Kraft kann für den entsprechend der Spinpolarisation überwiegend anzutreffende Spinzustand entweder in die Richtung des elektrischen Transports oder dieser entgegengesetzt wirken, den Transport also entweder unterstützen oder behindern und somit zur Änderung des Stromes der Ladungsträger füh­ ren. Dies kann zum Nachweis der Spinpolarisation herangezogen werden.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Charakterisierung der Spinpolarisation von Ladungsträgersystemen besteht aus einem Festkörper, an dem mindestens zwei Kontaktkörper zur Stromeinprägung, eine beliebige Vorrichtung zur Erzeugung einer Spinpolarisation der Ladungsträger und mindestens eine das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur vorgesehen sind. Dabei kann die das inhomogene Ma­ gnetfeld erzeugende Struktur wieder eine ferromagnetische oder antiferromagnetische Schicht oder aus einem semimagnetischen Material sein. Die das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur kann aber auch durch eine normal- oder supraleitende Leiterbahn oder durch eine Gradientenspule gebildet werden. Die Spinpolarisation kann dann durch Mes­ sung des Widerstandes des Festkörpers zwischen den beiden Kontakten, durch Messung der über diesen Kontakten abfallenden Spannung bei konstantem eingeprägten Strom oder durch Messung des Stromes zwischen den Kontakten bei konstanter angelegter Spannung bestimmt werden. Dazu kann es hilfreich sein, getrennte Kontakte zur Einprägung des Stromes und zur Messung der über dem Festkörper abfallenden Spannung zu verwenden (Vierpunktmethode zur Messung kleiner Widerstände).

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung von Spinpolarisierung und zur Cha­ rakterisierung der Spinpolarisierung von Ladungsträgern in Festkörpern können auch zu einer gemeinsamen Vorrichtung zusammengefaßt werden, die zwei Strukturen zur Erzeu­ gung von inhomogenen Magnetfeldern auf einem Festkörper umfaßt.

Die Auswirkungen inhomogener Magnetfelder (Streufelder) auf den Ladungsträgertransport insbesondere in zweidimensionalen Ladungsträgersystemen sind ausführlich untersucht worden. Bei das zweidimensionale Ladungsträgersystem in der x-y-Ebene ausgedehnt und ein Strom durch äußere Kontakte so eingeprägt, daß er vornehmlich in x-Richtung fließe, so sind lokale Hall-Effekte, die auf Magnetfeldern in z-Richtung beruhen und zu Hall- Spannungen in y-Richtung führen, wohl bekannt (z. B. M. Johnson, B. R. Bennett, M. J. Yang, M. M. Miller and B. V. Shanabrook, Appl. Phys. Lett. 71, 974 (1997)). Ebenso be­ kannt ist, daß Magnetfelder B, deren z-Komponente lokal variiert, zu sog. magnetischen Barrieren führen, die den Stromtransport in x-Richtung beeinflussen können (z. B. A. Matu­ lis, F. M. Peeters and P. Vasiopoulos, Phys. Rev. Lett. 72, 1518 (1994), V. Kubrak, F. Rahman, B. L. Gallagher, P. C. Main, M. Henini, C. H. Marrows and M. A. Howson, Appl. Phys. Lett. 74, 2507 (1999)). Allerdings wurde die Wirkung von Gradientenfeldern auf das magnetische Moment der Ladungsträger nicht berücksichtigt. Eine Ausnahme bildet der von Schmidt beschriebene Ansatz (G. Schmidt, Patent DE 197 46 138 A1), dem die Ablenkung eines Ladungsträgers, der sich in x-Richtung bewegt und ein magnetisches Moment

hat, in einem inhomogenen Magnetfeld, genauer in dem entsprechenden Gra­ dientenfeld δ_yB, zugrunde liegt. Die Ablenkung erfolgt dabei in y-Richtung, d. h. quer zur mittleren Flug- bzw. Transportrichtung (der x-Richtung). Im Fall geladener Teilchen baut sich durch die Ablenkung eine Ladungsasymmetrie und damit ein elektrisches Potential ebenfalls quer zur mittleren Bewegungsrichtung der Teilchen auf. Dieses Potential wird nach Schmidt zur Detektion der Spinpolarisation herangezogen. Relevant ist also die Gra­ dientenkraft F = m_yδ_yB bzw. die Kraftkomponente in y-Richtung F_y = m_yδ_yB_y (d. h. By ≠ 0!). Dies ist vom Halleffekt zu unterscheiden, bei dem sich bei elektrischem Transport in x-Richtung in einem Magnetfeld mit einer nichtverschwindenden z-Komponente (B_z ≠ 0) ebenfalls ein Potential in y-Richtung ergibt, allerdings wegen der Lorentzkraft F = qv × B bzw. deren Kraftkomponente F_y = -qv_xB_z (q sei die Ladung, v sei die Geschwindigkeit der Ladungsträger).

Die Erfindung schlägt damit ein Verfahren vor, das sich sowohl zur Erzeugung als auch zum Nachweis der Spinpolarisation eines Ladungsträgersystems in einem Festkörper eignet. Das Verfahren zur Erzeugung einer Polarisation unterscheidet sich grundsätzlich von bereits existierenden Verfahren, da es insbesondere die elektrische und ggf. räumliche Trennung der zur Stromeinprägung dienenden Kontakte und der zur Spinpolarisation notwendigen Struktur ermöglicht. Dadurch können auch niedrigdimensionale Ladungsträgersysteme spinpolarisiert werden, ohne daß bereits entwickelte, wohl etablierte Kontaktierungsmetho­ den an diese modifiziert werden müssen. Die Möglichkeit, im Fall der Verwendung von normal- oder supraleitenden Leitern zur Erzeugung des inhomogenen Magnetfelds die Stär­ ke desselben und damit den Grad der Spinpolarisation einfach und gut kontrollierbar variie­ ren zu können, bedeutet einen weiteren Vorteil. Das gilt entsprechend für das Verfahren zur Detektion einer Spinpolarisation. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion unter­ scheidet sich von dem von Schmidt beschriebenen Verfahren grundlegend durch die Anord­ nung des Gradienten des inhomogenen Magnetfelds relativ zur elektrischen Transportrich­ tung (der x-Richtung). Das von Schmidt beschriebene Verfahren verwendet Gradienten quer zur Transportrichtung, d. h. entlang der y-Richtung (transversal). Erfindungsgemäß beruht das hier vorgeschlagene Verfahren auf einem Gradienten entlang der Ladungstäger- Transportrichtung, d. h. entlang der x-Richtung. Diese longitudinale Anordnung des Gra­ dienten und die entsprechend im Mittel entlang der elektrischen Transportrichtung wirkende Kraft auf die magnetischen Momente der jeweiligen Ladungsträger bietet die Möglichkeit, niedrigdimensionale, insbesondere auch eindimensionale Ladungsträgersysteme zu polarisie­ ren und zu analysieren. Die Ladungsasymmetrie und das entsprechende, zur Detektion der Polarisation herangezogene Potential quer zur Transportrichtung gemäß Schmidt kann in eindimensionalen Ladungsträgersystemen grundsätzlich nicht aufgebaut werden. Schließlich vereinfacht die erfindungsgemäße Möglichkeit, sowohl Spinpolarisator als auch Spinanaly­ sator quasi identisch darzustellen, eine Verwendung des Verfahrens in integrierten elektro­ nischen Schaltkreisen wesentlich.

Die einfachste Verwirklichung des Verfahrens ist in Abb. 1 dargestellt. Durch einen Fest­ körper (10), beispielsweise einen Halbleiter wie Silizium, fließt ein elektrischer Strom I (in x-Richtung). Über die gesamte stromtragende Breite des Festkörpers ist eine magnetische Schicht (12), bevorzugt z. B. aus einem Ferromagneten wie Eisen, aufgebracht, deren Ma­ gnetisierung M im Wesentlichen parallel zur elektrischen Transportrichtung verläuft. Die magnetische Schicht (12) ist naturgemäß von einem Magnetfeld B umgeben - symbolisch dargestellt durch zwei Feldlinien - das auch in den Festkörper (10) eindringt. Vor allem an den quer zur Magnetisierungsrichtung verlaufenden Kanten der magnetischen Schicht (12) ist das diese Schicht umgebende Magnetfeld B stark inhomogen, d. h. in diesen Bereichen ist insbesondere der magnetische Feldgradient in x-Richtung, δ_xB_x, besonders groß. δ_xB_x ist dabei im Bereich des Festkörpers (10) unter der einen Kante negativ, unter der anderen positiv (Abb. 1). Ein Ladungsträger mit einem magnetischen Moment

parallel zur x-Richtung, der sich entlang der elektrischen Transportrichtung unter der magnetischen Schicht (12) hindurch bewegt, erfährt also im Bereich der einen Kante eine seiner Bewe­ gung entgegen gerichtete, unter der anderen Kante eine entlang seiner Bewegung gerichtete Kraftkomponente F_x = m_xδ_xB_x. Der Transport des besagten Ladungsträgers wird also durch das im Festkörper (10) von der magnetischen Schicht (12) hervorgerufene inhomoge­ ne Magnetfeld beeinflußt, und zwar abhängig davon, ob das magnetische Moment des La­ dungsträgers m und die Richtung des magnetischen Feldgradienten entlang der elektrischen Transportrichtung δ_xB parallel oder antiparallel sind. Das ist in Abb. 2 nochmals dargestellt: die Orientierung der Magnetisierung M der magnetischen Schicht (12) auf dem Fest­ körper (10) ist nun antiparallel zur Stromrichtung I, dementsprechend sind die Bereiche mit positivem bzw. negativem magnetischen Feldgradienten δ_xB_x im Vergleich zu Abb. 1 gera­ de vertauscht.

Für Ladungsträger mit Spin ℏ/2 ergeben sich bezüglich der x-Richtung als Quantisierungs­ richtung zwei möglich Einstellungen des Spins (bzw. des magnetischen Moments), nämlich parallel bzw. antiparallel zur x-Richtung. Eine solche Quantisierungsrichtung kann z. B. durch ein von außen angelegtes homogenes Magnetfeld B₀ (Abb. 1) im Bereich der besag­ ten Vorrichtung erzwungen werden, aber bevorzugt einfach durch das mittlere Magnetfeld B der magnetischen Schicht (12) auf dem Festkörper (10) gegeben sein. Durch die so er­ zeugte quantisierte Einstellung des Spins der Ladungsträger wirkt aber ein Bereich im Fest­ körper (10) unter einer quer zur x-Richtung verlaufenden Kante der magnetischen Schicht mit einheitlichem Vorzeichen von δ_xB_x spinselektiv auf Spin 1/2-Teilchen, da der Trans­ port derselben je nach der Einstellung ihres Spins entweder behindert oder unterstützt wird. Um ein konkretes Beispiel zu geben, wird im folgenden die Auswirkung der in Abb. 1 dar­ gestellten Vorrichtung auf einen Ladungsträger, dessen magnetisches Moment in die x- Richtung zeige, diskutiert. Unter der linken Kante der magnetischen Schicht (12) ist δ_xB_x < 0. Daher erfährt der Ladungsträger eine verzögernde Kraft F_x = m_xδ_xB_x < 0. Um­ gekehrt ist δ_xB_x < 0 an der rechten Kante, der Ladungsträger erfährt dort eine Beschleuni­ gung. In diesem Zusammenhang ist Abb. 1 eher schematisch zum Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen, da für die beiden möglichen Einstellungen des Ladungsträgerspins jeweils ein Bereich mit Feldgradient existiert, der den Transport behindert und unterstützt - es ergibt sich also kein Nettoeffekt. Die bevorzugte Realisierung der Vorrichtung ist beispielsweise den Abb. 8-11 zu entnehmen; es wird nur eine Kante der magnetischen Schicht (12) bzw. nur ein Bereich mit einheitlich orientiertem δ_xB_x als spin­ selektives Element ausgenutzt.

Bevorzugte Materialien zur Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in Be­ zug auf den Festkörper (10) vor allem Halbleiter wie Silizium (Si), Germanium (Ge), Koh­ lenstoff (C) und deren Legierungen sowie deren Legierungen mit Übergangsmetallelementen (bevorzugt Mangan), seltenen Erden oder ferromagnetischen Elementen (bevorzugt Eisen), sog. III-V-Halbleitern wie z. B. Galliumarsenid (GaAs), Aluminiumarsenid (AlAs), Indiumar­ senid (InAs), Indiumphosphid (InP) und deren Legierungen sowie deren Legierungen mit Übergansmetallelementen (bevorzugt Mangan) (sog. Heusler-Legierungen), seltenen Erden oder ferromagnetischen Elementen (bevorzugt Eisen), Galliumantimonid (GaSb), Alumini­ umantimonid (AlSb), Indiumantimonid (InSb) und deren Legierungen sowie deren Legie­ rungen mit Übergansmetallelementen (bevorzugt Mangan), seltenen Erden oder ferroma­ gnetischen Elementen (bevorzugt Eisen), Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN), In­ diumnitrid (InN) und deren Legierungen sowie deren Legierungen mit Übergansmetallele­ menten (bevorzugt Mangan), seltenen Erden oder ferromagnetischen Elementen (bevorzugt Eisen), und sog. II-V-Halbleitern wie z. B. Zinkselenid (ZnSe), Zinksulfid (ZnS), Zinktellu­ rid (ZnTe), deren Legierungen, deren Legierungen mit anderen Elementen der II. und VI. Hauptgruppe oder der II. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie deren Legierungen mit Übergansmetallelementen (bevorzugt Mangan), seltenen Erden oder fer­ romagnetischen Elementen (bevorzugt Eisen). Die Herstellung dieser Halbleitermaterialien ist heute in der Halbleitertechnologie Stand der Technik. Niedrigdimensionale Ladungsträ­ gersysteme können z. B. durch Heterostrukturen aus den vorgenannten Materialien erzeugt werden, insbesondere durch Quantentöpfe bzw. Quantenfilme z. B. im System GaAs/AlGaAs oder GaN/AlGaN, oder an Grenzflächen, z. B. von Silizium mit den Isolato­ ren Siliziumdioxid und Siliziumnitrid (Si/SiO₂ bzw. Si/Si₃N₄). Mit derartigen Strukturen lassen sich auch zweidimensionale Ladungsträgersysteme realisieren, d. h. Systeme, in denen sich die Ladungsträger nur in zwei Raumrichtungen frei bewegen können. Die Realisierung von eindimensionalen Ladungsträgersystemen - in denen sich die Ladungsträger nur in einer Raumrichtung frei bewegen können - kann z. B. durch geeignete Strukturierung entspre­ chender Halbleiterproben mittels photolithographischer Techniken (optisch, oder mit Elek­ tronen- oder Ionenstrahlen) und anschließendem naß- oder trockenchemischem Ätzen, oder durch reaktives Ionenätzen, oder durch Ionenimplantation, oder durch das Aufbringen zu­ sätzlicher Gatekontakte, oder eine Kombination dieser und ähnlicher Techniken erfolgen. Eine weitere Möglichkeit bietet das Überwachsen von Spaltflächen (cleaved edge over­ growth). Auch diese Methoden sind in der heutigen Halbleitertechnologie wohl etabliert.

Zur elektrischen Kontaktierung der Ladungsträgersysteme in besagtem Festkörper sollen bevorzugt die für das jeweilige Material üblichen Kontaktierungsmethoden und Kontakt­ materialien zur Herstellung der Kontakte verwendet werden, im Fall von niedrigdimensionalen Elektronensystemen im Halbleitersystem GaAs/AlGaAs beispielsweise Indium oder Mehrfachschichten aus Germanium, Gold und Nickel (ggf. auch einlegiert). Soll die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung als Detektor für spinpolarisierte Ladungsträgersysteme dienen, können auch semimagnetische Kontakte, beispielsweise die bereits erwähnten Materialien Be_xMn_yZn_1-x-ySe oder Ga_1-xMn_xAs auf GaAs bzw. auf GaAs basierenden Heterostrukturen zur Erzeugung eines spinpolarisierten Ladungsträgersystems verwendet werden.

Die magnetische Schicht (12) (Abb. 1) soll bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material bestehen, wie z. B. Eisen, Nickel, Cobalt, deren Oxiden und Legierungen, u. a. mit Alumini­ um, Silizium, oder seltenen Erden, sowie Ferriten. Auch ein antiferromagnetisches Material wie z. B. Chrom oder Nickelmonoxid kann verwendet werden, genauso wie Heterostruktu­ ren aus ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten, die es beispielsweise erlau­ ben, die Magnetisierung in den Schichten zu pinnen. Geeignet sind auch semimagnetische Halbleiter, wie sie oben bereits exemplarisch angeführt sind.

Abb. 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Abb. 2, wobei zwischen den Festkörper (10) und die magnetische Schicht (12) eine weitere Schicht (14) eingebracht ist. Letztere kann beispielsweise aus einem Isolator, bevorzugt SiO₂ oder Si₃N₄, bestehen, der den Fest­ körper (10) und die magnetische Schicht (12) elektrisch trennt.

In Abb. 4 ist eine mögliche Verwirklichung des Verfahrens, wie sie prinzipiell bereits in Abb. 2 im Schnitt dargestellt ist, nochmals gezeigt, und zwar für den Fall, daß der Festkör­ per (10) ein Halbleiter (bzw. eine Halbleiterschichtstruktur oder eine Halbleiter-Isolator- Schichtstruktur) ist und der Stromtransport in demselben in einem zweidimensionalen La­ dungsträgersystem (16) erfolgt, das nur zur graphischen Veranschaulichung aus dem Fest­ körper (10) herauszutreten scheint.

Abb. 5 zeigt das gleiche Prinzip, allerdings für ein eindimensionales Ladungsträgersystem (18).

In Abb. 6 ist die Vorrichtung aus Abb. 2 dargestellt, wobei nun eine Leiterbahn (20) anstelle der magnetischen Schicht ((12) in Abb. 2) die Struktur bildet, die das inhomogene Magnet­ feld erzeugt. Die Leiterbahn (20) kann aus einem Normalleiter, z. B. Gold, Silber oder Aluminium, oder einem Supraleiter, bevorzugt einem Supraleiter zweiter Art, z. B. Niob-haltige Legierungen (NbTi, NbSn₃ etc.) oder Hochtemperatursupraleiter wie beispielsweise Yttri­ umbariumkupferoxid (YBa₂Cu₃O_6-7), bestehen. Die Leiterbahn (20) durchfließt ein Strom I_B im Mittel quer zur x-Achse, der nach dem Amp▲reschen Gesetz von einem Magnetfeld B umgeben ist. Durch geeignete Wahl des Querschnitts der Leiterbahn (20) lassen sich stark inhomogene Magnetfelder an den quer zur x-Achse verlaufenden Kanten derselben erzielen, die die erfindungsgemäß benötigten Magnetfeldgradienten in x-Richtung erzeugen.

Abb. 7 zeigt im Vergleich zu Abb. 6, daß durch Umpolen der Richtung des Stromes I_B die Gebiete mit positivem und negativem Magnetfeldgradienten vertauscht werden können. Durch geeignete Wahl der Stromrichtung I_B kann also erfindungsgemäß das Vorzeichen des Magnetfeldgradienten im Bereich einer bestimmten, quer zur x-Achse verlaufenden Kante der Leiterbahn (20) ausgewählt werden.

Die magnetische Schicht (12) kann, entsprechend Abb. 8, auch als elektrischer Kontakt an den Festkörper (10) dienen, wenn sie aus entsprechenden Materialien, bevorzugt z. B. Eisen, besteht. Das hat den Vorteil, daß die Ladungsträger des Stromes I nach dem Übergang in den Festkörper (10) entlang des skizzierten Strompfades im Wesentlichen nur Bereiche mit einem einheitlichen Vorzeichen des magnetischen Feldgradienten durchlaufen, im Gegensatz zu der in Abb. 2 dargestellten Vorrichtung. Damit erfahren die Ladungsträger entsprechend ihrer jeweiligen Spineinstellung eine Kraft entgegen bzw. entlang der elektrischen Trans­ portrichtung, d. h. eine Spinspezies wird bevorzugt den Bereich unter der magnetischen Schicht verlassen, das Ladungsträgersystem wird spinpolarisiert.

Abb. 9 zeigt eine Verwirklichung der Erfindung entsprechend Abb. 8, wobei der elektrische Kontakt an den Festkörper (10) durch eine zusätzliche, dedizierte Kontaktschicht (22), vor­ zugsweise aus einem Metall oder einer Folge von Metallschichten, realisiert ist. Wie oben beschrieben ist das vorteilhaft, da so der elektrische Kontakt an das Ladungsträgersystem durch z. B. richtige Wahl des Kontaktmaterials separat von den Eigenschaften der magneti­ schen Kontaktschicht (12) optimal hergestellt werden kann. In der Abbildung ist zudem noch eine Isolatorschicht (24) gezeigt, bevorzugt wieder z. B. aus SiO₂ oder Si₃N₄, die einen Übergang der Ladungsträger aus dem Kontakt (22) in den Festkörper (10) (bzw. das nied­ rigdimensionale Ladungsträgersystem im Festkörper) in einem Bereich mit Meinem Magnetfeldgradienten d_xB_x erzwingt. Anschließend erfolgt der Transport im Festkörper (10) durch den Bereich mit großem δ_xB_x unterhalb einer Kante der magnetischen Schicht (12), der erfindungsgemäß die Spinpolarisation bewirkt. Im Bereich des Kontaktes (22) haben die Ladungsträger bereits einen Magnetfeldgradienten mit entgegengesetztem Vorzeichen durchlaufen. Wie in Zusammenhang mit Abb. 1 diskutiert, entsteht hier erfindungsgemäß eine Spinpolarisation. Da die Streuung in dem metallischen Kontakt (22) jedoch sehr hoch ist und deshalb die Spinpolarisation nicht über lange Wegstrecken erhalten bleibt, sind die Ladungsträger beim Übergang in den Festkörper (10) nicht mehr polarisiert. Streuung in magnetisch toten Lagen an den Grenzflächen zwischen dem Kontakt (22) und dem Festkör­ per (10) hat denselben Effekt. Die Stromzufuhr kann jedoch in der Vorrichtung in Abb. 9 auch entsprechend Abb. 8 durch die magnetische Schicht (12) hindurch geschehen.

Abb. 10 entspricht Abb. 9, wobei eine zusätzliche Schicht (26) zwischen den elektrischen Kontakt (22) an den Festkörper (10) und die magnetische Schicht (12) eingebracht ist, vgl. dazu auch Abb. 3. Die zusätzliche Schicht (26) ist vorzugsweise wieder ein Isolator, der den elektrischen Kontakt von der magnetischen Schicht trennt.

Abb. 11 zeigt die bevorzugte Verwirklichung des erfindungsgemäßen Detektors zum Nachweis der Spinpolarisierung von Ladungsträgersystemen. Der in der Abbildung darge­ stellte Aufbau des Detektors entspricht im wesentlichen der in Abb. 10 dargestellten Vor­ richtung, wobei der Strom I nun aus dem Festkörper (10) in den elektrischen Kontakt (22) fließt. Jedoch lassen sich alle in Abb. 1 bis 9 dargestellten Vorrichtungen durch einfache Umkehr der Richtung des Ladungsträgertransportes auch als Vorrichtungen zur Detektion der Spinpolaisation von Ladungsträgersystemen verwenden. Wegen der Spinselektivität des elektrischen Transports im Bereich des Magnetfeldgradienten können bevorzugt Ladungs­ träger einer Spinorientierung in den besagten Kontakt (22) gelangen, der elektrische Wider­ stand für den Transport der zwei möglichen Spinspezies ist unterschiedlich. Dementspre­ chend erlaubt eine Messung des elektrischen Widerstandes, bevorzugt z. B. zwischen dem in Abb. 11 nicht dargestellten, strominjizierenden Kontakt an den Festkörper (10) und dem Kontakt (22) die Bestimmung der Spinpolarisation des Ladungsträgersystems.

Die bevorzugte Realisierung einer Vorrichtung, die erfindungsgemäß ein spinpolarisiertes Ladungsträgersystem in einem Festkörper erzeugt und die Bestimmung der Spinpolarisation des Ladungsträgersystems erlaubt, ist in Abb. 12 wiedergegeben. Ein solcher Spintransistor besteht - entsprechend den Ausführungen zu Abb. 11 - exemplarisch aus einem erfindungs­ gemäßen Spinpolarisator nach Abb. 10 und einem Spinpolarisationsdetektor nach Abb. 11, die auf demselben Festkörper (10) realisiert werden.

Die in Abb. 12 dargestellte Vorrichtung kann auch zur Realisierung magnetischer Speicher mittels der erfindungsgemäßen Erzeugung und Detektion von spinpolarisierten Ladungsträ­ gersystemen verwendet werden, indem die Orientierung der Magnetisierung der magneti­ schen Schicht (12) z. B. des Spinpolarisationsdetektors gezielt eingestellt oder invertiert wird. Dazu wird beispielsweise die Magnetisierungsrichtung des spinpolarisierenden Be­ reichs M_p (linke Hälfte der Abb. 13) festgehalten, bevorzugt mittels einer hartmagnetischen Schicht (12), während diejenige des spinanalysierenden Bereichs M_a (rechte Hälfte der Abb. 13) zwischen zwei Orientierungen (M_a parallel bzw. antiparallel zu M_p) hin- und her­ geschaltet werden kann. Die Orientierung von M_a kann damit zur Speicherung von Infor­ mation, nämlich eines Bits ("0" oder "1", "aus" oder "an", "parallel" oder "antiparallel") verwendet werden. Um ein gezieltes Umklappen von M_a ohne Beeinflussung von M_p zu erlauben, besteht die magnetische Schicht des spinanalysierenden Bereichs z. B. aus einem weichmagnetischen Material, dessen Magnetisierung insbesondere durch ein externes Ma­ gnetgeld umgeklappt werden kann. Letzteres wird bevorzugt durch zwei separate, auf die magnetische Schicht (12) des spinanalysierenden Bereichs aufgebrachte Leiterbahnen er­ zeugt, einer sogenannten Bit- und einer Wordleitung, die jeweils mit den Strömen I_Bit und I_Word belegt werden können. Die Größe und Richtung von I_Bit und I_Word werden so ge­ wählt, daß erst die Überlagerung der Magnetfelder beider Leiterbahnen ausreicht, um M_a umzuklappen. Somit wird eine selektive Adressierung einzelner magnetischer Schichten auch in einem großen Array dieser Vorrichtungen in der Form integrierter magnetoelektro­ nischer Schaltkreise möglich. Der elektrische Widerstand entlang der Richtung des Stromes I hängt, wie oben dargelegt, von der relativen Orientierung von M_a und M_p ab. Damit kann durch eine Bestimmung dieses Widerstandes die Orientierung von M_a und damit auch die gespeicherte Information ausgelesen werden.

Abb. 14 veranschaulicht den eben beschriebenen magnetischen Speicher nochmals, wobei nun die magnetischen Schichten von spinpolarisierendem (20) und spinanalysierendem Be­ reich nicht wie in Abb. 13 aus magnetischen Materialien bestehen, sondern als normal- oder supraleitende Leiterbahnen ausgelegt sind. Die Ströme I_B1 bzw. I_B2 erzeugen nun die erfin­ dungsgemäß benötigten inhomogenen Magnetfelder; durch Umkehren der Stromrichtung von I_B2 relativ zu I_B1 und das damit verbundene Umdrehen der Richtung des inhomogenen Magnetfelds B im spinalaysierenden Bereich kann wieder der Widerstand der Vorrichtung entlang der Richtung des Stromes I verändert werden.

Bei den erfindungsgemäßen Bauelementen ist einen hohe Integrationsdichte erreichbar, da die Wirkung der Gradientenfelder im Abstand von wenigen hundert Nanometern von der magnetischen Struktur verschwindet, die das inhomogene Magnetfeld erzeugt. Auf der an­ deren Seite ist die zu Verlust von Spinpolarisation führende Streuung im Ladungsträgersy­ stems besonders in zweidimensionalen Elektronensystemen so groß, daß eine einmal er­ zeugte Spinpolarisation bei einem Ladungsträgertransport über weite Bereiche des Bauele­ mentes (in einigen Halbleitern über eine Länge von mehreren Mikrometern) erhalten bleibt.

Die erfindungsgemäßen magnetoelektronischen Bauelemente lassen sich zu integrierten Schaltkreisen verbinden, z. B. zur Realisierung von magnetischen Speicherbauelementen (MRAM). Die Bauelemente lassen sich jedoch auch vorteilhaft mit konventionellen mikro­ elektronischen Bauelemente wie z. B. Transistoren zu integrierten Schaltkreisen kombinie­ ren. Dies ist z. B. von Vorteil für die Adressierung der Bit- bzw. Word-Leitungen in einer Vorrichtung nach Abb. 13 oder zur Aussteuerung der Ströme I_B1 und I_B2 in einer Vorrich­ tung nach Abb. 14 oder zur Nachverstärkung des Stromes I durch den Festkörper (10).

Die erfindungsgemäßen Bauelemente lassen sich direkt als Sensoren zur Bestimmung von Magnetfeldern benutzen. So können z. B. über die Ummagnetisierung weichmagnetischer Schichten (12) äußere Magnetfelder gemessen werden. Es lassen sich aber auch Magnet­ feldgradienten bestimmen, indem der Magnetfeldgradient, der sonst im spinpolarisierenden Bauelement durch die magnetische Struktur (12) erzeugt wird, ganz oder teilweise durch den äußeren, zu messenden Magnetfeldgradienten ersetzt wird.

Zur Realisierung von elektrischen Schaltkreisen, die auf Quantenlogik basieren, werden spinpolarisierende Ströme benötigt (z. B. B. E. Kane, Nature 393, 133 (1998)). Die erfin­ dungsgemäßen Bauelemente lassen sich zur Erzeugung dieser spinpolarisierten Ströme so­ wie zur Analyse der Spinpolarisation benutzen, die das Ergebnis der quantenlogischen Ope­ rationen ist.

Claims (37)

1. Ein Verfahren zur Spinpolarisierung von Ladungsträgersystemen in Festkörpern durch ein inhomogenes Magnetfeld, das durch eine Struktur hergestellt wird, die in die Nähe des Festkörpers oder auf die Oberfläche des Festkörpers gebracht wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das von dieser Struktur erzeugte mittlere Magnetfeld sowie der von dieser Struktur erzeugte Magnetfeldgradient im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur Stromrichtung in dem Ladungsträgersystem sind.

2. Ein Verfahren zur Analyse der Spinpolarisierung von Ladungsträgersystemen in Fest­ körpern durch Messung des Einflusses eines inhomogenen Magnetfeldes auf den elek­ tronischen Transport in dem Ladungsträgersystem, in dem das inhomogene Magnetfeld durch eine Struktur hergestellt wird, die in die Nähe des Festkörpers oder auf die Oberfläche des Festkörpers gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das von dieser Struktur erzeugte mittlere Magnetfeld sowie der von dieser Struktur erzeugte Magnet­ feldgradient im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur Stromrichtung in dem La­ dungsträgersystem sind.

3. Ein Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, in dem von außen ein zusätzliches homoge­ nes Magnetfeld im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur Stromrichtung in dem Ladungsträgersystem angelegt wird.

4. Ein Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, in dem das Ladungsträgersystem aus Elek­ tronen oder Löchern gebildet wird.

5. Ein elektronisches Bauelement auf der Basis der Ansprüche 1 oder 2, in dem die das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur aus einem Ferromagneten, einem Antifer­ romagneten, einem semimagnetischen Halbleiter oder aus Heterostrukturen aus diesen Materialien gebildet wird.

6. Ein elektronisches Bauelement auf der Basis der Ansprüche 1 oder 2, in dem die das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur aus einem stromdurchflossenen elektri­ schen Leiter gebildet wird.

7. Ein Bauelement nach Anspruch 6, in dem der elektrische Leiter ein Supraleiter ist.

8. Ein elektronisches Bauelement auf der Basis der Ansprüche 1 oder 2, in dem der Fest­ körper durch einen Halbleiter, eine Halbleiterschichtstruktur oder eine Halbleiter- Isolator-Schichtstruktur gebildet wird.

9. Ein Bauelement nach Anspruch 8, in dem der Halbleiter oder die Halbleiterschicht­ struktur aus GaAs, AlAs, InAs, ihren Legierungen oder deren Legierungen mit Über­ gangsmetallelementen oder ferromagnetischen Elementen, aus GaSb, AlSb, InASb, ih­ ren Legierungen oder deren Legierungen mit Übergangsmetallelementen oder ferroma­ gnetischen Elementen, aus GaN, AlN, InN, ihren Legierungen oder deren Legierungen mit Übergangsmetallelementen oder ferromagnetischen Elementen, aus ZnS, ZnSe, ZnTe, ihren Legierungen oder deren Legierungen mit anderen Elementen der II. oder VI. Hauptgruppe oder II. Nebengruppe des Periodensystems oder deren Legierungen mit Übergangsmetallelementen oder ferromagnetischen Elementen, oder aus Si, Ge, C oder ihren Legierungen oder deren Legierungen mit Übergangsmetallelementen oder ferromagnetischen Elementen gebildet wird oder die Halbleiter-Isolator-Schichtstruktur aus einem der vorgenannten Halbleiter und SiO₂ oder Si₃N₄ gebildet wird.

10. Ein Bauelement nach Anspruch 8, in dem die Halbleiterschichtstruktur oder die Halb­ leiter-Isolator-Schichtstruktur einen Quantenfilm oder einen Quantendraht enthält.

11. Ein Bauelement nach Anspruch 8, in dem sich in dem Halbleiter, in der Halbleiter­ schichtstruktur oder in der Halbleiter-Isolator-Schichtstruktur ein zweidimensionales oder eindimensionales Ladungsträgersystem ausbildet.

12. Ein elektronisches Bauelement auf der Basis der Ansprüche 1 oder 2, in dem durch zwei elektrische Kontakte ein elektrischer Strom durch das Ladungsträgersystem gezogen werden kann, so daß der Strom im Wesentlichen parallel oder antiparallel zu dem inhomogenen Magnetfeld fließt.

13. Ein elektronisches Bauelement auf der Basis der Ansprüche 1 oder 2, in das zwischen den Festkörper und die das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur wenigstens eine weitere Schicht eingebracht wurde.

14. Ein Bauelement nach Anspruch 13, in dem wenigstens eine der zusätzlich eingebrachten Schichten zur elektrischen Isolation zwischen dem Festkörper und der das inhomogene Magnetfeld erzeugenden Struktur dient.

15. Ein Bauelement nach Anspruch 13, in dem wenigstens eine der zusätzliche eingebrach­ ten Schichten einen elektrischen Kontakt zum Festkörper bildet.

16. Ein Bauelement nach Anspruch 15, in dem die von dem Kontakt injizierten Ladungs­ träger im Festkörper einen Magnetfeldgradienten durchlaufen, der seine Orientierung relativ zu der Stromrichtung der Ladungsträger nicht umkehrt.

17. Ein Bauelement nach Anspruch 15, in dem der elektrische Kontakt derart lateral einge­ schränkt ist, daß die von dem Kontakt injizierten Ladungsträger im Festkörper einen maximalen Magnetfeldgradienten durchlaufen.

18. Ein Bauelement nach Anspruch 15, in dem eine der zusätzlich eingebrachten Schichten zur elektrischen Isolation zwischen dem elektrischen Kontakt an den Festkörper und der das inhomogene Magnetfeld erzeugenden Struktur dient.

19. Ein Bauelement nach Ansprüchen 5, 6 oder 7, in dem die Spinpolarisation des La­ dungsträgersystems durch unterschiedliche Stärke oder Orientierung des von außen an­ gelegten homogenen Magnetfeldes oder des von der Struktur erzeugten inhomogenen Magnetfeldes eingestellt oder invertiert werden kann.

20. Ein Bauelement nach Ansprüchen 5 und 19, in dem die erzeugte Spinpolarisation in­ vertiert wird durch Ummagnetisierung eines magnetischen Materials in der das inho­ mogene Magnetfeld erzeugenden Struktur.

21. Ein Bauelement nach Anspruch 20, in dem das zur Ummagnetisierung benötigte Ma­ gnetfeld durch wenigstens einen zusätzlichen stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird.

22. Ein Bauelement nach Anspruch 21, in dem zur Ummagnetisierung zwei zusätzliche stromdurchflossene Leiter verwendet werden, um eine selektive Adressierung der um­ zumagnetisierenden Struktur innerhalb einer integrierten Schaltung zu erlauben.

23. Ein Bauelement nach Ansprüchen 6 oder 7 und Anspruch 19, in dem die erzeugte Spinpolarisation invertiert wird durch Änderung der Richtung des Stromes durch die das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur.

24. Ein Bauelement nach Ansprüchen 5, 6 oder 7, in dem die Spinpolarisation des La­ dungsträgersystems charakterisiert wird durch die Messung des Widerstandes des La­ dungsträgersystems zwischen zwei Kontakten nach Anspruch 12, der zwischen diesen Kontakten abfallenden Spannung bei vorgegebenem eingeprägten Strom durch das La­ dungsträgersystem oder des Stromes bei vorgegebener, über den Kontakten angelegter Spannung.

25. Ein Bauelement nach Anspruch 24, in dem einer der beiden Kontakte nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18 ausgebildet ist.

26. Ein Bauelement nach Ansprüchen 24 oder 25, in dem die Spinpolarisation des La­ dungsträgersystems analysiert wird durch vergleichende Messung des Widerstandes des Ladungsträgersystems zwischen den zwei Kontakten, der zwischen den Kontakten ab­ fallenden Spannung bei vorgegebenem eingeprägten Strom durch das Ladungsträgersy­ stem oder des Stromes bei vorgegebener, über den Kontakten angelegter Spannung bei unterschiedlicher Stärke oder Orientierung des von außen angelegten homogenen Ma­ gnetfeldes oder des von der Struktur erzeugten inhomogenen Magnetfeldes.

27. Ein Bauelement nach Anspruch 5 und Ansprüchen 24, 25 oder 26, in dem die Orientie­ rung des inhomogenen Magnetfelds durch Ummagnetisierung eines magnetischen Ma­ terials in der das inhomogene Magnetfeld erzeugenden Struktur invertiert wird.

28. Ein Bauelement nach Anspruch 27, in dem das zur Ummagnetisierung benötigte Ma­ gnetfeld durch wenigstens einen zusätzlichen stromdurchflossenen Leiter erzeugt wird.

29. Ein Bauelement nach Anspruch 28, in dem zur Ummagnetisierung zwei zusätzliche stromdurchflossene Leiter verwendet werden, um eine selektive Adressierung der um­ zumagnetisierenden Struktur innerhalb einer integrierten Schaltung zu erlauben.

30. Ein Bauelement nach Ansprüchen 6 oder 7 und Ansprüchen 24, 25 oder 26, in dem die Orientierung des inhomogenen Magnetfelds invertiert wird durch Änderung der Rich­ tung des Stromes durch die das inhomogene Magnetfeld erzeugende Struktur.

31. Ein elektronisches Bauelement auf der Basis der Ansprüche 1 oder 2, in dem auf einem Festkörper zwei Strukturen inhomogene Magnetfelder erzeugen, wobei eine Struktur zusammen mit dem Festkörper ein Bauelement entsprechend einem oder mehrerer An­ sprüche aus den Ansprüchen 5 bis 23 bildet, das ein spinpolarisiertes Ladungsträgersy­ stem erzeugt, und eine Struktur zusammen mit dem Festkörper ein Bauelement ent­ sprechend einem oder mehrerer Ansprüche aus den Ansprüchen 5 bis 18 und 24 bis 30 bildet, das die Spinpolarisation desselben Ladungsträgersystems charakterisiert.

32. Ein steuerbares elektronisches Bauelement nach Anspruch 31, wobei der Widerstand des Ladungsträgersystems zwischen zwei Kontakten nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, die zwischen diesen Kontakten abfallenden Spannung bei vorgegebenen eingepräg­ ten Strom durch das Ladungsträgersystem oder der Stromes bei vorgegebener, über den Kontakten angelegter Spannung abhängig sind von der Stärke oder Orientierung des von außen angelegten homogenen Magnetfeldes oder der von den beiden Struktu­ ren erzeugten inhomogenen Magnetfelder und nach den Ansprüchen 19 bis 23 bzw. 24 bis 30 gesteuert werden können.

33. Integrierte Schaltkreise, die durch Verknüpfung von Bauelementen gemäß der Ansprü­ che 5 bis 32 gebildet werden.

34. Die Verwendung eines Bauelementes gemäß der Ansprüche 5 bis 33 zusammen mit konventioneller Mikroelektronik in integrierten Schaltkreisen.

35. Die Verwendung eines Bauelementes gemäß der Ansprüche 5 bis 33 als Magnetfeld­ sensor.

36. Die Verwendung eines Bauelementes gemäß der Ansprüche 5 bis 33 zur magnetischen Datenspeicherung.

37. Die Verwendung eines Bauelementes gemäß der Ansprüche 5 bis 33 in Schaltkreisen, die auf der Basis von Quantenlogik operieren.