Spinpolarisierung

Spinpolarisierung bezeichnet den Grad, zu dem die Spinnorientierungen von Teilchen in einem System ausgerichtet sind. Sie wird oft durch den Vektor P beschrieben oder durch den skalarer Ausdruck P = (N↑ − N↓)/(N↑ + N↓), wobei N↑ und N↓ die Zahlen der Teilchen mit Spin +½ bzw. −½ darstellen. In einem ungeordneten System ist P = 0, vollständige Spinpolarisation entspricht P = ±1. Die Richtung der Polarisation lässt sich als Spinvektor angeben.

Ursachen und Realisationen: In Festkörpern entsteht Spinpolarisierung typischerweise durch den Austauschwechsel innerhalb von Ferromagneten, wodurch die Spins der Elektronen bevorzugt ausgerichtet sind. Spinpolarisierte Strahlen ergeben sich auch durch Spinfilter, die Spinabhängigkeit von Transportphänomenen, oder durch Spininjektion aus magnetischen Quellen in Nicht-Ferromagnete. In Halbmateriellen kann nahezu vollständige Spinpolarisation erreicht werden. Optische Orientierung nutzt kreisförmig polarisierte Lichtwellen, um Elektronenspins in bestimmten Halbleitern zu orientieren.

Messung und Erzeugung: Spinpolarisierung wird mit Methoden wie spin-resolved Photoemission (SR-PES), Mott-Streuung, Andreev-Reflexion oder spinpolarisierter Neutronenstreuung gemessen. In der Praxis lässt sich P auch aus magnetotransportbasierten Größen wie magnetoelektrischen Effekten oder Spin-Transfer-Effekten ableiten.

Bedeutung und Anwendungen: Spinpolarisierung bildet die Grundlage der Spintronik, einschließlich spinbasierter Speicher- und Logikbausteine, magnetischer Sensoren und der effizienteren Kopplung von Elektronenspins an Halbleiter. Zu den Herausforderungen zählen die effiziente Spin-Injektion, Spin-Dephasing und die Materialwahl, etwa Half-Metalle oder Heuslerlegierungen, die hohe Polarisation ermöglichen.