Magnetismus in zwei Dimensionen
Wie hängen atomare Struktur und magnetische Ordnung in einer Kobaltoxidschicht zusammen?
Forscher aus Wien und Milwaukee zeigen, wie sich Quantenphysik in messbaren Materialeigenschaften bemerkbar macht. Vereinfachend kann man einem Atom ein magnetisches Moment zuordnen, wenn sich Elektronen mit überwiegend einer Spin-Orientierung in der Nähe des Atomkerns aufhalten. Diese magnetischen Momente können sich im Material verknüpfen und zu komplexen magnetischen Anordnungen führen. „Wir haben eine einzelne Kobaltoxidschicht von atomarer Dicke auf einer Iridium-Oberfläche untersucht“, erklärt Raimund Podloucky von der Universität Wien. „Unsere Berechnungen haben gezeigt, dass die zweidimensionale magnetische Ordnung der Kobaltatome sehr von der räumlichen Anordnung der Atome in der Oxidschicht abhängig ist. Um diese magnetische Ordnung zu entschlüsseln, braucht man die Theorie, da das Experiment eine solche komplexe Ordnung nicht direkt auflösen kann.“
Abb.: In dieser Illustration einer magnetischen Kobaltoxidschicht (Kobalt: blau, Sauerstoff: rot) auf Iridium (grau) zeigen die verschiedenen Blautöne die unterschiedliche Orientierung der magnetischen Momente an. (Bild: J. Redinger)
Die räumliche Struktur der Oberfläche lässt sich aber messen. Das wurde bereits in einer früheren experimentellen Arbeit von Kollegen nachgewiesen, wobei diese gezwungen waren, 59 strukturelle Parameter zu bestimmen. Diese sehr große Anzahl von Parametern weist auf die Komplexität der Struktur hin. „Die Resultate unserer Berechnung auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) stimmen mit allen experimentell ermittelten Werten überein,“ freut sich Podloucky. „Wir Theoretiker haben außerdem eine zweite, ähnliche Struktur vorhergesagt, die im Experiment dann auch tatsächlich nach unseren Berechnungen entdeckt wurde.“
Für solche Rechnungen sind leistungsfähige Computerprogramme nötig wie das Vienna Ab-initio Simulation Package VASP, eine Entwicklung der Gruppe von Georg Kresse, Professor für Materialphysik an der Universität Wien. „Neben der Kooperation mit Georg Kresse ist vor allem die Ausstattung mit Hardware-Ressourcen, die uns vom Vienna Scientific Cluster (VSC) bereitgestellt werden, für unsere Arbeit wichtig,“ erläutert Podloucky.
Die Forschung im Rahmen der grundlagenorientierten Materialwissenschaften ist nicht nur von rein wissenschaftlichem Interesse. Anwendungsbereiche für Kobaltoxidschichten finden sich in der Katalyse, der Sensortechnik, der Batterietechnologie sowie in der Nanomagnetik.
U. Wien / OD
