Elegante Spinkontrolle

Die Entwicklungen für eine künftige neue Computer­technologie auf Basis von isolierenden Anti­ferro­magneten sind einen Schritt weiter. Elektrisch isolierende Anti­ferro­magneten wie zum Beispiel Eisenoxid und Nickeloxid bestehen aus mikroskopischen Magneten mit entgegen­gesetzten Ausrichtungen. Sie gelten als vielversprechende Materialien für den Ersatz der jetzigen Silizium-Bauteile in Computern. Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben in einem Kooperations­projekt gezeigt, wie Informationen in isolierenden Anti­ferro­magneten elektrisch geschrieben und ausgelesen werden können. Es gelang ihnen, den Schreib­mechanismus zu identifizieren, indem sie eine Veränderung der magnetischen Struktur – zu beobachten mit bild­gebenden Verfahren mittels Synchrotron­strahlung – und die elektrischen Messungen an der JGU korreliert haben. 

Die Entdeckung öffnet den Weg für verschiedene Anwendungen, angefangen von ultra­schnellen Prozessoren bis hin zu Kredit­karten, die durch externe Magnetfelder nicht gelöscht werden können, weil anti­ferro­magnetische Materialien den ferro­magnetischen überlegen sind. Die Forschungs­arbeit erfolgte in Kooperation mit der Tohoku Universität in Sendai, Japan, und dem Elektronen­speicherring BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin sowie dem britischen Synchrotron Diamond Light Source. 

Mit antiferro­magnetischen Materialien lassen sich prinzipiell Speicher­elemente hergestellen, die wesentlich schneller sind und über eine deutlich größere Speicher­kapazität verfügen als herkömmliche Elektronik. Allerdings lassen sich die Materialien nur sehr schwer kontrollieren und auslesen, was die Anwendung in Schreib- und Lesebauteilen erschwert. Louis Néel beschrieb in seiner Nobel­preisrede 1970 die anti­ferro­magnetischen Materialien als interessant, aber nutzlos. Man glaubte, dass die Anti­ferro­magnete nur durch extrem starke magnetische Felder zu manipulieren sind, Felder, wie sie beispielsweise mit supranleitenden Magneten erzeugt werden müssten. Diese Einschätzung hat sich in den letzten Jahren drastisch geändert: Es zeigte sich, dass anti­ferro­magnetische Materialien und sogar Isolatoren mithilfe von elektrischen Strömen wirksam kontrolliert werden können.

„Wir wissen, dass wir die Grenzen der konventionellen Elektronik auf Silizium­basis bald erreichen werden, weil die technologischen Verbesserungen kontinuierlich voranschreiten. Das ist der wichtigste Grund, weshalb wir die Forschung in der Spintronik vorantreiben, einer Technik, die nicht nur die elektrische Ladung, sondern auch den Spin nutzt. Der Transport und die Verarbeitung von Informationen können damit verdoppelt werden“, sagt Lorenzo Baldrati, Marie-Skłodowska-Curie-Fellow an der JGU. „Unsere Forschung zeigt, dass anti­ferro­magnetische Isolatoren für effiziente Schreib­vorgänge und elektrisches Auslesen geeignet sind – eine Schlüssel­funktion im Hinblick auf die Anwendung.“ Lorenzo Baldrati ist Postdoc in der Arbeits­gruppe von Mathias Kläui, der hinzufügt: „Ich freue mich sehr, dass die fruchtbare Zusammen­arbeit mit unseren Kollegen in Japan und den Gruppen in Mainz nun zu einer weiteren gemeinsamen Veröffentlichung geführt hat. Mit der Unterstützung des Deutschen Akademischen Austausch­dienstes, der Exzellenz-Graduierten­schule Materials Science in Mainz und der DFG konnten wir einen lebhaften Austausch zwischen Mainz und Sendai und mit weiteren theoretisch arbeitenden Gruppen einrichten.“ 

Die Theorie entwickelte Olena Gomonay in der Arbeitsgruppe von Jairo Sinova. „Es hat Spaß gemacht, mit den experimentellen Physikern in Mainz zu arbeiten. Es ist spannend, wenn man mitverfolgen kann, wie sich Theorie und Experiment gegenseitig unterstützen, um neue physikalische Mechanismen und Phänomene aufzudecken“, so Olena Gomonay. „Obwohl sich unsere Arbeit nur auf ein bestimmtes System konzentriert, kann es als grundlegendes Prinzip für die Familie der anti­ferro­magnetischen Isolatoren gelten. Wir hoffen, dass das tiefe Verständnis der antiferromagnetischen Dynamik, die wir im Laufe dieses Projekts erlangt haben, das spannende Feld der anti­ferro­magnetischen Spintronik weiter vorantreiben und ein Ausgangs­punkt für neue gemeinsame Projekte unserer Gruppen sein wird.“ 

JGU / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Baldrati et al.: Mechanism of Néel Order Switching in Antiferromagnetic Thin Films Revealed by Magnetotransport and Direct Imaging, Phys. Rev. Lett. 123, 177201 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.177201
• Gruppe von Mathias Kläui an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• Projekt ARTES (AntifeRromagnetic spin Transport and Switching)