Orbitalströme erstmals direkt genutzt

Die Orbitronik gilt als Hoffnungsträger der Speichertechnologie, da mit ihr künftig große Speichermedien mit extrem geringen Energieverbrauch realisierbar sein könnten. Ein Team der Johannes-Gutenberg-Universität hat Orbitalsströme jetzt erstmals direkt nutzen können – ohne dass diese zuvor in Spinströme umgewandelt werden mussten. „Wir haben somit den ersten reinen orbitronischen Ansatz realisiert“, sagt Christin Schmitt, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Mathias Kläui an der JGU. Die Orbitronik gilt als Hoffnungsträger der Speichertechnologie, da mit ihr künftig große Speichermedien mit extrem geringen Energieverbrauch realisierbar sein könnten. Sie basiert auf Orbitalmomenten, den quantenmechanischen „Wirbeln“ der Elektronen um die Atomkerne, sowie den Orbitalströmen, also der Bewegung dieser Wirbel durch einen elektrischen Leiter.

Ein in Kupfer erzeugter Orbitalstrom lässt sich erstmals effizient an Orbitalmomente in Kobaltoxid koppeln

Quelle: Mathias Kläui, JGU

„Wir konnten bewegliche Orbitalmomente erstmalig direkt mit festen Orbitalmomenten in einem Magneten koppeln: Damit haben wir einen Meilenstein in der Orbitronik erreicht und die Basis für eine deutlich energieeffizientere Datenspeicherung gelegt. Denn auf diese Weise erhalten wir um zwei Größenordnungen stärkere Signale als in der konventionellen Spintronik“, sagt Schmitt. Sie ist mit einem internationalen Team von mehr als zwanzig Forschenden, unter anderem auch vom Forschungszentrum Jülich, zu diesen Ergebnissen gekommen.

Orbitalströme bieten einen erheblichen Vorteil gegenüber Spinströmen: Ihr messbares Signal ist um Größenordnungen stärker. Nutzt man Orbitalströme, um Informationen in magnetischen Speichern zu schreiben oder auszulesen, sind deutlich effizientere Schaltvorgänge möglich – und langfristig womöglich äußerst stromsparende Geräte. Das Manko: Bisher müssen Orbitalsströme zunächst in Spinströme umgewandelt werden, um zum Beispiel „Speicher“ beschreiben oder auslesen zu können. „Uns ist es erstmalig gelungen, die Orbitalströme direkt zu nutzen – wir haben damit einen Weg gefunden, künftig das volle Potenzial der Orbitronik auszuschöpfen“, sagt Schmitt. Als Testsystem verwendete das Team Kobaltoxid als isolierenden Antiferromagneten mit einer Lage Kupfer, das an der Oberfläche zu Kupferoxid reagierte.

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Die Proben stammten aus der Arbeitsgruppe von Eiji Saitoh von der Universität Tokyo. Von diesem System war bereits bekannt, dass sich an der Kupfer-Kupfer­oxid-Schicht Orbitalströme bilden, die sich Richtung Kobaltoxid bewegen. Nun konnte das Team die beweglichen Orbitalmomente im Kupfer – die einen Strom von Orbitalmomenten, den Orbitalstrom, bil­den – an die festen Orbitalmomente im Kobalt koppeln. Diese Kopplung ist nötig, um magnetische Informationen auszulesen: Je nachdem, wie die Orbitalmomente im Kupfer und Kobalt zueinander ausgerichtet sind, wird eine „0“ oder eine „1“ dargestellt. „Möglich wurde die Kopplung, indem wir einen Magneten verwenden, der vom Or­bi­tal-Dreh­im­puls dominiert wird, während bisherige Untersuchungen stets auf spin-domi­nier­ten Magneten beruhten“, erklärt Schmitt.

Dieses System verglich das Team mit einem System aus Kobaltoxid und Platin, in dem sich In­for­ma­tio­nen über reine Spinströme speichern und auslesen lassen. „Mit dem orbitronischen System konnten wir das resultierende Signal um zwei Größenordnungen steigern – verglichen mit dem Signal von reinen Spinströmen“, fasst Schmitt das Ergebnis der Vergleichsuntersuchungen zusammen. Dass der Effekt nicht nur stärker, sondern auch physikalisch grundlegend anders ist, betont Sachin Krishnia, ebenfalls Mitglied des Forschungsteams: „Über die Größe des Signals hinaus ist entscheidend, dass der Orbitalstrom mit dem Kobaltoxid auf eine völlig andere Weise wechselwirkt. Er ahmt nicht einfach einen Spinstrom nach, sondern scheint verborgene Eigenschaften des Antiferromagneten zu aktivieren. Damit wird der orbitale Magnetismus zu einem aktiven Freiheitsgrad für zukünftige Bauelemente.“

Schmitt sieht darin großes Potenzial für künftige Anwendungen: „Antiferromagnetische Materialien mit starken orbitalen Eigenschaften sind eine gute Plattform für zukünftige orbitale Bauelemente. Indem sie energieeffizientere Speicher- und Rechentechnologien ermöglichen, könnten sie dabei helfen, Rohstoff-, Energie- und Klimaprobleme zu lösen.“

Der Leiter des Forschungsteams, Mathias Kläui, betont, dieser Durchbruch sei nur durch langfristige Kollaborationen möglich geworden: „Wir arbeiten seit über zehn Jahren in Projekten, die vom Deutschen Akademischen Austauschdienst und der Japan Society for the Promotion of Science finanziert werden, mit Kolleginnen und Kollegen in Japan zusammen. Das ermöglicht Studierenden der JGU, dort die benötigten hochqualitativen Materialien zusammen mit den Kolleginnen und Kollegen vor Ort herzustellen. Die theoretischen Arbeiten wurden im Rahmen von deutschen und EU-Projekten realisiert. Solche internationalen Zusammenarbeiten ermöglichen neue spannende Forschung, die wir allein nie realisieren könnten.“ [JGU / dre]