Beobachtung spingesteuerter elektrischer Leitung in Metallen

Die Zukunftstechnologie Spintronik verfügt über ein neues, hocheffektives Untersuchungsinstrument: Forscher der Uni Mainz und des MPI für Polymerforschung, sowie des Fritz-Haber-Instituts in Berlin haben die ultraschnelle Terahertz-Spektroskopie eingesetzt, um elementare Eigen­schaften von spintronischen Bauelementen zu untersuchen – mit Erfolg. „Wir bekommen damit einen direkten Zugang zu den absolut grundlegenden Elementen des Magnetotransports“, so Mathias Kläui von der Uni Mainz. Die Spintronik nutzt nicht nur die Ladung der Elektronen für die Informations­verarbeitung, sondern zusätzlich auch deren Spin, also das magnetische Moment der Elektronen. Spintronik kommt bereits jetzt in Fest­platten­lese­köpfen und Sensoren, beispielsweise in der Auto­mobil­industrie, zum Einsatz und bietet ein großes Potenzial für nicht-flüchtige Speicher.

Grundlage für viele Spintronik-Anwendungen ist der in den 1980er-Jahren entdeckte Riesenmagnetowiderstand oder GMR-Effekt. Seine Entdecker, Albert Fert und Peter Grünberg, erhielten im Jahr 2007 dafür den Physik-Nobelpreis. Der GMR-Effekt funktioniert wie eine Art Magnetsensor, der in Abhängigkeit von der magnetischen Ausrichtung der einzelnen dünnen Schichten des Materials seinen Widerstand ändert. Je nachdem kommt es zu einer Streuung der Elektronen, deren Auswirkungen man im Widerstand sieht, die aber mit den herkömmlichen experimentellen Methoden bislang nicht präzise zu bestimmen war. Die Schwierigkeit liegt vor allem in der extrem kurzen Zeitspanne, in der die Effekte ablaufen. Die Elektronenstreuereignisse erfolgen auf einer Zeitskala unter 100 Femtosekunden.

Das Team aus Mainz und Berlin hat nun die Herausforderung mithilfe der Terahertz-Spektroskopie, auch Submillimeterwellen-Spektroskopie genannt, gelöst. Die Wissenschaftler konnten mit dieser Methode den Magneto­transport in einer ferromagnetischen Struktur direkt beobachten und die relevanten Parameter präzise und eindeutig bestimmen: die spinabhängigen Ladungsträgerdichten und die spinabhängigen Streuzeiten der Leitungs­elektronen. „Die Terahertz-Spektroskopie wird häufig für Materialprüfungen eingesetzt. Wir haben nun gezeigt, dass diese Methode auch auf den Magneto­transport anzuwenden ist“, so Dmitry Turchinovich vom MPI-P und Mitglied der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ). „Damit haben wir das Mott-Modell von 1936, das den Elektronentransport in ferromagnetischen Metallen beschreibt, erstmals experimentell bestätigt.“

Die Messungen zeigen, dass ältere Ergebnisse die Spin-Asymmetrie bei der Elektronenstreuung – ein zentraler Parameter, der für Effekte wie den Riesenmagnetowiderstand verantwortlich ist – beträchtlich unterschätzen. Die Ergebnisse fügen der Erforschung der Spintronik ein neues, wirkungsvolles und quantitatives Werkzeug hinzu. „Mit dieser neuen Methode haben wir einen direkten Zugang zu den absolut grundlegenden Parametern des Magneto­transports in unseren Proben“, sagt Kläui. „Es freut mich insbesondere, dass die Zusammenarbeit von zwei Gruppen vom MPIP und der JGU innerhalb der Graduiertenschule MAINZ diese spannende Forschung ermöglicht hat.“

JGU / RK