Wie aus magnetischem elektrischer Strom wird

Für die Kopplung von magnetischen und elektrischen Phänomenen in bestimmten metallischen oder halb­leitenden Materialien ist die Wechsel­wirkung zwischen den magnetischen Momenten der Elektronen, also dem Spin, und deren Bahnbewegung entscheidend. Die Spin-Bahn-Wechselwirkung ist zwar ein kleiner relativistischer Effekt, der aber in Festkörpern, abhängig von den Details der Elektronen­struktur, deutlich erhöht sein kann. Die magnetischen Momente der Elektronen haben nur zwei Einstell­möglich­keiten, „up“ und „down“. Einen reinen elektrischen Strom erhält man, wenn Up- und Down-Elektronen in gleicher Stärke in die gleiche Richtung fließen. Bei einem reinen Magnetstrom dagegen sind die beiden Elektronen­typen in entgegen­gesetzter Richtung unterwegs.

Die Kopplung zwischen den magnetischen Eigenschaften und deren elektrischen Transport­eigen­schaften, kurz Spintronik, ist seit den 1980er Jahren international ein heißes Forschungsthema. Denn die Steuerung magnetischer Effekte mithilfe elektrischer Methoden hat ein vielfältiges Anwendungs­potenzial – nicht zuletzt für die Daten­speicherung auf Festplatten. Ein viel­versprechender Effekt für die Realisierung zukünftiger spintronischer Bauelemente ist der Spin-Hall-Effekt. Bei starker Spin-Bahn-Kopplung werden die Ladungsträger beim Anlegen eines elektrischen Stroms senkrecht zur Stromrichtung abgelenkt, abhängig von der Orientierung ihres Spins: Es entsteht ein reiner, prinzipiell reibungslos fließender Magnetstrom senkrecht zum elektrischen Strom.

Ein internationales Forscherteam hat jetzt ein Material untersucht, das eine spezielle magnetische Eigenschaft aufweist: Die Heusler-Verbindung NiMnSb ist ein Halb-Metall, in dem in guter Näherung nur die Elektronen einer Spin-Richtung beweglich sind. Wenn man also einen Ladungsstrom durch dieses Material fließen lässt, kommt an der anderen Seite ein spin­polarisierter Strom heraus – das Material wirkt wie ein Spinfilter. In dem Experiment wurde ein dünner Film der Heusler-Verbindung auf Yttrium-Eisen-Granat, kurz YIG, aufgedampft. Letzteres ist zwar magnetisch, hat aber keine beweglichen Ladungsträger. Durch eine zeitliche Variation der YIG-Magnetisierung gelingt es jedoch, einen Spinstrom in den NiMnSb-Film zu injizieren. Aufgrund der Spin-Bahn-Wechsel­wirkung wird dieser Spinstrom in einen senkrecht dazu fließenden Ladungsstrom umgewandelt, der als Spannung abgegriffen werden kann. Die gemessene Spannung zeigte eine überraschende Abhängigkeit von der Temperatur – und dazu noch eine charakte­ristische Variation mit der Dicke des NiMnSb-Films.

Angesichts dieser unerwarteten Ergebnisse waren innovative theoretische Ideen gefragt. Die Wissen­schaftler erklärten die experi­men­tellen Befunde so: Die Injektion eines reinen Spinstroms in ein Halb-Metall ist nur möglich, wenn die halb­metallische Eigenschaft an der Grenzschicht deutlich vermindert ist. Daraus ergibt sich eine Zusatz­spannung, die nicht von der Dicke des Heusler-Films abhängt. Das konnten die Wissen­schaftler im Experiment beobachten. Die theoretische Bestimmung der Temperatur­abhängigkeit gelang ebenfalls, wobei die bereits vor einigen Jahren von anderen Autoren vorher­gesagte Kopplung zwischen Majoritäts- und Minoritäts­elektronen aufgrund magnetischer Schwingungen entscheidend ist. Auch dies konnte durch die experi­men­tellen Resultate bestätigt werden.

Das heißt, der beobachtete Effekt lässt sich nur durch die Modifizierung der unter­suchten Heusler-Verbindung an der Grenzfläche zum Spinstrom-Injektor Yttrium-Eisen-Granat erklären. Auch wenn detaillierte mikroskopische Berechnungen noch ausstehen, ergeben sich wichtige Hinweise für den Mechanismus der Spin-Ladungs-Konversion, die auch für andere ferro­magnetische Materialien – sowie für potenzielle Anwendungen – von Bedeutung sein dürften.

U. Regensburg / RK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  Z. Wen et al.: Spin-charge conversion in NiMnSb Heusler alloy films, Science Adv. 5, eaaw9337 (2019); DOI: 10.1126/sciadv.aaw9337