Antiferromagnetisches Netzwerk mit Drehrichtung
Winzige Magnetstrukturen in einer ultradünnen Manganschicht zeigen eine ungewöhnliche Händigkeit – nun erklären Forschende aus Kiel und Hamburg, warum.
Forschende des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg haben ein magnetisches Netzwerk auf der Nanometerskala in einer antiferromagnetischen Manganschicht realisiert. Die Übergänge zwischen verschiedenen magnetisch geordneten Bereichen (Domänen) des Netzwerks wurden mittels Rastertunnelmikroskopie auf der atomaren Skala abgebildet, wobei die Kreuzungspunkte der Domänenwände eine Händigkeit aufwiesen. Diese beobachtete Chiralität kann durch eine magnetisch getriebene Scherung der Manganschicht erklärt werden, wie theoretische Physikerinnen und Physiker der Christian-Albrechts-Universität (CAU) zu Kiel zeigen konnten.
Antiferromagnete bilden nach außen kein messbares Magnetfeld und galten lange als schwer nutzbar. Heute gilt diese Klasse von Materialien jedoch als vielversprechend. In der Magnetoelektronik, einem Forschungsfeld, das elektrische Ströme nutzt, um magnetische Zustände zu manipulieren und auszulesen, könnten Antiferromagnete eine zentrale Rolle spielen. Gleichzeitig bieten komplexe magnetische Netzwerke ganz neue Möglichkeiten für neuartige, unkonventionelle Computer. Sie reagieren besonders stark auf elektrische Ströme und können dreidimensionale magnetische Strukturen ausbilden, in denen die atomaren Momente in verschiedene Raumrichtungen zeigen.
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Forschende der Universitäten Kiel und Hamburg haben jetzt gezeigt, wie in einer ultradünnen Manganschicht ein komplexes antiferromagnetisches Netzwerk entsteht. An den Kreuzungspunkten der Domänenwände richten sich die atomaren magnetischen Momente in eine definierte räumliche Drehrichtung. Die Studie liefert so direkte Einblicke in die inneren Strukturen von Antiferromagneten und eröffnet Perspektiven für neue magnetische Bauelemente.
Das Forschungsteam untersuchte ein Modellsystem, aus nur zwei Lagen von Manganatomen, auf einen Iridiumkristall aufgebracht. Mit spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie konnten sie die magnetische Ausrichtung der Atome bis auf die atomare Skala sichtbar machen.
Projektleiterin Kirsten von Bergmann von der Uni Hamburg erklärt: „In den Rastertunnelmikroskopie-Bildern tauchte ein komplexes magnetisches Netzwerk aus Domänenwänden zwischen antiferromagnetisch geordneten Bereichen auf. Wir konnten sehen, dass es durch die implantierten Argon-Blasen erzeugt wurde. An den Kreuzungspunkten von drei Domänenwänden haben wir zum Einen eine Händigkeit der Struktur gefunden, zum Anderen haben wir herausgefunden, dass die „atomaren Stabmagnete“ hier in die Richtungen der Ecken eines Tetraeders zeigen, sie also einen Winkel von 109,47° zueinander haben.“
Mit aufwendigen quantenmechanischen Rechnungen, für die Supercomputer des Verbundes für Nationales Hochleistungsrechnen (NHR) genutzt wurden, zeigte das Kieler Team, dass sich die oberste Lage der Manganschichten aufgrund von magnetischen Austauschkräften leicht seitlich verschiebt. „An den Stellen, wo Bereiche mit unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung aufeinandertreffen, baut sich Spannung auf. Dies kann die beobachtete bevorzugte, strukturelle Drehrichtung (Händigkeit) an den Kreuzungspunkten erklären,“ sagt Stefan Heinze von der CAU. Die Kieler Forschenden klärten zudem auf, wie an diesen Stellen eine dreidimensionale magnetische Struktur entsteht und wie beide Manganschichten miteinander gekoppelt sind.
Die Verzweigungen der Domänenwände entstehen an den Argon-Blasen nicht zufällig. Die lokale Spannung im Material begünstigt eine bestimmte Art der magnetisch bedingten Scherbewegung des Films. Die Rechnungen zeigen außerdem, dass die dreidimensionale magnetische Ordnung an diesen Kreuzungspunkten besondere topologische Eigenschaften besitzt. Damit liefert die Studie einen grundlegenden Nachweis dafür, dass sich die enge Verbindung zwischen Struktur und Magnetismus gezielt nutzen lässt, um komplexe antiferromagnetische Netzwerke zu erzeugen. [CAU / UHH / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
V. Saxena, M. Gutzeit, A. Rodríguez-Sota, et al., Strain-driven domain wall network with chiral junctions in an antiferromagnet, Nat. Commun. 16, 10808, 29. November 2025; DOI: 10.1038/s41467-025-66700-0 - Spin-polarized Scanning Tunneling Microscopy SP-STM (Group Kirsten von Bergmann), Scanning Probe Methods (AG Roland Wiesendanger), Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik, Universität Hamburg
- Spintronics theory group (Stefan Heinze), Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Anbieter
Christian-Albrechts-Universität zu KielChristian-Albrechts-Platz 4
24118 Kiel
Deutschland
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