Mit Neutronen zum schaltbaren Antiferromagneten
Ein chinesisch-deutsches Forscherteam hat im Fachmagazin Science ein neues antiferromagnetisches Material vorgestellt, das sich als richtungsweisend für Fortschritte in der Nanomedizin und Informationstechnologie erweisen könnte. Bislang werden synthetische Antiferromagnete aus Übergangsmetallen und Legierungen angefertigt. Anders der von Wissenschaftlern in Hefei hergestellte Antiferromagnet, der aus mehreren, nur wenige Nanometer dicken Oxidschichten besteht. In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich konnten die Forscher mit Neutronenmessungen am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum zeigen, dass sich das neue Material durch ein Magnetfeld schichtweise magnetisieren und umpolen lässt
Mikroskopische Untersuchung verschiedener magnetischer Zustände in Sub-Nanometer-Auflösung mithilfe des Neutronen-Reflektometers MARIA (AF = antiferromagnetisch, FM = ferromagnetisch)
Copyright: Forschungszentrum Jülich GmbH / Yixi Su und Stefan Mattauch
Ein Antiferromagnet weist im Gegensatz zu einem Ferromagneten kein von außen messbares Magnetfeld auf. Trotzdem handelt es sich nicht um ein völlig unmagnetisches Material. Die Spins der Elektronen sind jedoch nicht wie bei einem Ferromagneten parallel, sondern entgegengesetzt ausgerichtet. Die magnetischen Momente heben sich daher gegenseitig auf. Im Fall des nun synthetisch erzeugten Antiferromagneten wird der Effekt über nur wenige Nanometer dicke ferromagnetische Manganat-Schichten erzielt, die über ultradünne, isolierende Titanoxid-Schichten miteinander gekoppelt sind. Die Kopplung der Spins erfolgt dabei allerdings nicht ferromagnetisch, sondern antiferromagnetisch: Die Polarisationsrichtung der Spins kehrt sich um, wenn sie von der einen auf die andere Schicht übertragen wird.
Der neuartige, von Wissenschaftlern der University of Science and Technology of China in Hefei hergestellte Antiferromagnet besitzt darüber hinaus aber noch weitere, besondere Eigenschaften: Zum einen lassen sich die magnetischen Materialeigenschaften durch Veränderungen des Schichtaufbaus gezielt verändern. Zum anderen können einzelne Schichten des Materials durch ein äußeres Magnetfeld umgepolt werden, sodass sich temporär unterschiedliche magnetische Zustände herstellen lassen. Der Nachweis gelang den Forschern mithilfe des Neutronen-Reflektometers MARIA, das das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching betreibt.
Antiferromagnetische Materialien könnten sich gegenüber konventionellen ferromagnetischen Materialien in unterschiedlicher Hinsicht als vorteilhaft erweisen. Sie sind unempfindlich gegenüber störenden äußeren Magnetfeldern. Mit entsprechenden Datenträgern lassen sich Informationen daher womöglich dauerhafter und verlässlicher speichern, als es bisher mit magnetischen Materialien möglich ist.
Originalveröffentlichung
"All-oxide-based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal"; Binbin Chen, Haoran Xu, Chao Ma, Stefan Mattauch, Da Lan, Feng Jin, Zhuang Guo, Siyuan Wan, Pingfan Chen, Guanyin Gao, Feng Chen, Yixi Su, Wenbin Wu; Science; published 14 July 2017
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