25.09.2023

Magnetisierung auf kleinsten Skalen

Standardbild der Magnetisierungsumkehr trifft nicht für alle Materialen zu.

Forschende der Universitäten Augsburg und Groningen konnten zeigen, dass das Standardbild der Magnetisierungsumkehr erweitert werden muss. Ihre Erkenntnisse bereichern nicht nur die Grundlagenforschung, sondern eröffnen neue Perspektiven im Bereich der Kontrolle der Magnetisierung auf kleinsten Skalen und bietet somit ein großes Potenzial zur Entwicklung von wesentlich kleineren elektronischen Bausteinen für die Elektronik der Zukunft.

Kristalliner Aufbau der Einheitszellen von Eisenzinkmolybdänoxid.
Abb.: Kristalliner Aufbau der Einheitszellen von Eisenzinkmolybdänoxid.
Quelle: U. Augsburg / S. Ghara et al, NPG

Ferromagnete verlieren nach einiger Zeit ihre Magnetisierung, die sich in die Nähe eines weiteren, noch magnetisierten Magneten wieder herstellen lässt. Zu diesem Hysterese-Verhalten gehört auch, dass man die Magnetisierung des ferro­magnetischen Materials auch umkehren kann, wenn man die Richtung des angelegten Magnetfelds ändert. Dieser Vorgang ist eine der wichtigsten techno­logischen Anwendungen magnetischer Materialien von magnetischen Speichermedien bis hin zu Schaltelementen der Mikroelektronik.

Bei dieser Magnetisierungs­umkehr gibt es einen Punkt, an dem die Magnetisierung Null wird, bevor sie die Richtung wechselt. Dieser Zustand wird üblicherweise durch das Auftreten makro- oder mikroskopischer Bereiche des magnetischen Materials, den magnetischen Domänen, beschrieben, deren Magne­tisierungen in unterschiedliche Richtungen zeigen, sodass sie sich gegenseitig aufheben und die Gesamt­magnetisierung verschwindet. Eine Gruppe Augsburger Physiker unter Federführung von Somnath Ghara und Joachim Deisenhofer konnten nun zusammen mit Kollegen aus Groningen zeigen, dass dieses Standardbild der Magnetisierungs­umkehr mittels der Kompensation von Domänen auf makro- oder mikroskopischer Skala nicht für alle Materialen zutrifft und erweitert werden muss. 

Die Forscher kombinierten Messungen der Magneti­sierung, der elektrischen Polarisation, der optischen Eigenschaften im Terahertz-Frequenzbereich und theoretische Simulationen und fanden heraus, dass die Magnetisierungs­umkehr in dem polaren Magneten (Fe:Zn)2Mo3O8 durch einen antiferro­magnetischen Zustand geschieht, also einen Zustand, in dem die Kompensation der Magnetisierung nicht nur auf makro- oder mikro­skopischer Skala sondern auf atomarer Ebene abläuft. 

Diese Entdeckung ist nicht nur bemerkenswert seitens der Grundlagen­forschung im Bereich der Magnetisierungs­phänomene, sondern eröffnet neue Perspektiven im Bereich der Kontrolle der Magnetisierung auf kleinsten Skalen und bietet somit ein großes Potential zur Entwicklung von wesentlich kleineren elek­tronischen Bausteinen für die Elektronik der Zukunft. Die Tatsache, dass die charak­teristischen optischen Anregungen des Materials im Terahertz-Bereich liegen, eröffnet zusätzliche Möglichkeiten extrem schneller Schalt­prozesse im Bereich der Spintronik.

U. Augsburg / JOL

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