Elektrisch angeregter Ferromagnetismus

Durch Zugabe von Elektronen wird ein paramagnetischer Halbleiter ferromagnetisch.

Während die Elektronik mit den Ladungen der Elektronen arbeitet, soll die Spintronik auch deren magnetische Momente nutzen. So will man etwa die Magnetisierung eines Materials elektrisch kontrollieren und damit auf elektrischem Wege Magnetspeicher beschreiben. Diesem Ziel sind japanische Forscher einen großen Schritt näher gekommen. Sie haben bei Zimmertemperatur einen paramagnetischen Halbleiter durch Zugabe von Elektronen ferromagnetisch gemacht.

Wie Tomoteru Fukumura von der University of Tokyo und seine Kollegen berichten, haben sie zunächst ein geeignetes Halbleitermaterial hergestellt, das auch bei hohen Temperaturen ferromagnetisch ist. Dabei handelte es sich um Titanoxid, das mit Kobalt dotiert worden war. Wenn die Konzentration der magnetischen Kobaltatome groß genug war, führte ihre Wechselwirkung dazu, dass sich ihre magnetischen Momente einheitlich ausrichteten und der Halbleiter ferromagnetisch war.

In ihrem bahnbrechenden Experiment verwendeten die japanischen Forscher nun eine Titanoxidschicht, in der nur jedes zehnte Ti-Atom durch ein Co-Atom ersetzt worden war. Die Wechselwirkung zwischen den Co-Atomen war dann zu schwach, um eine einheitliche Magnetisierung hervorzubringen, sodass die Schicht zunächst nur paramagnetisch war. Auf diese Halbleiterschicht, die an mehreren Stellen elektrisch kontaktiert war, legten die Wissenschaftler eine elektrisch isolierte Gate-Elektrode, mit der sie zusätzliche Elektronen in die Schicht hineinziehen konnten.

Wurde die Gate-Spannung von 3 V auf 4 V erhöht, so nahm die Zahl der Leitungselektronen in der Schicht auf das Zehnfache zu. Die Spins dieser zusätzlichen Elektronen wechselwirkten mit den Spins der Co-Atome, die sich auf diese Weise besser miteinander abstimmen und einheitlich ausrichten konnten. Die Schicht wurde daraufhin ferromagnetisch, selbst bei Temperaturen von 300 K.

Allerdings mussten die Forscher eine flüssige Gate-Elektrode bestehend aus einem Elektrolyten benutzen, da es andernfalls bei der verwendeten Gate-Spannung zum elektrischen Durchschlag gekommen wäre. Die am Elektrolyten anliegende positive Spannung führte dazu, dass sich an der Grenzfläche zur Halbleiterschicht positive Ionen ansammelten, denen im Halbleiter Elektronen gegenüberstanden. Es bildete sich eine elektrische Doppelschicht, sodass man dieses Bauelement als Electric Double Layer Transistor (ELDT) bezeichnet.

Um den elektrisch angeregten Ferromagnetismus nachzuweisen, benutzten die Forscher den anomalen Hall-Effekt. Nachdem Edwin Hall 1879 den nach ihm benannten Effekt entdeckt hatte, beobachtete er an ferromagnetischem Eisen den viel stärkeren anomalen Hall-Effekt. Er beruht darauf, dass die magnetischen Momente der Ionen die mit dem elektrischen Strom bewegten Leitungselektronen quer zur Stromrichtung ablenken, und zwar je nach Spinrichtung der Elektronen bevorzugt nach links oder nach rechts. Überwiegt eine Spinrichtung, so baut sich eine Hall-Spannung quer zur Stromrichtung auf.

Die Hall-Spannung haben die Forscher für verschiedene Gate-Spannungen gemessen, wobei sie die Halbleiterschicht einem äußeren Magnetfeld aussetzten, das sie zwischen -0,4 Tesla und +0,4 Tesla hin und her variierten. Bei einer Gate-Spannung von 3,8 V zeigte die Hall-Spannung eine deutliche Hysterese, wie man das bei einem ferromagnetischen Material erwarten würde. Für kleinere Gate-Spannungen verschwand die Hysterese und folglich auch die Magnetisierung der Schicht. Die Halbleiterschicht war also tatsächlich durch elektrische Einwirkung ferromagnetisch geworden.

RAINER SCHARF

Weitere Literatur:

• Igor utic and John Cerne: Chameleon Magnets. Science 332, 1040 (2011)
  doi: 10.1126/science.1205775
• M.J. Calderon and S. Das Sarma: Theory of Carrier Mediated Ferromagnetism in Dilute Magnetic Oxides. Annals of Physics 322, 2618 (2007)
  doi: 10.1016/j.aop.2007.01.010
  www.arxiv.org/abs/cond-mat/0603182
• I. utic et al.: Spintronics: Fundamentals and applications. Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004)
  doi: 10.1103/RevModPhys.76.323
  arxiv.org/abs/cond-mat/0405528
• Naoto Nagaosa et al.: Anomalous Hall effect. Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)
  doi: 10.1103/RevModPhys.82.1539
  arxiv.org/abs/0904.4154

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