"Teufelstreppe" in einem Spin-Ventil-System

Ein japanisch-deutsches Team hat an BESSY II in einem komplexen Kobaltoxid-Einkristall entdeckt, wie sich die Spins stufenweise zu einer ungewöhnlichen Anordnung formieren. Dies könnte neue spintronische Bauelemente ermöglichen.

Materialien mit komplexen magnetischen Strukturen gelten als interessante Kandidaten für Anwendungen in der Spintronik. Deren Ziel ist es, mit weitaus weniger Energieeinsatz Daten zu verarbeiten oder zu speichern. Ein bekanntes Beispiel ist das sogenannte Spin-Ventil, bei dem die Stromstärke, die durch das Element durchgelassen wird, empfindlich von der Anordnung der magnetischen Spins abhängt. In künstlichen Schichtsystemen können diese Anordnungen durch äußere magnetische Felder kontrolliert werden, was zu dem Riesenmagnetowiderstand-Effekt (Giant Magnetoresistance oder GMR) führt, für dessen Entdeckung Albert Fert und Peter Grünberg 2007 den Nobelpreis für Physik erhielten. Während klassische GMR-Systeme aus metallischen Schichten bestehen, die Forscher künstlich übereinander wachsen lassen, bieten oxidische Materialien eine interessante Alternative: Denn hier können sich Schichtstrukturen mit alternierenden magnetischen Konfigurationen intrinsisch einstellen. So weisen Kobaltoxide komplexe magnetische Ordnungen auf, die sich mit steigendem Feld verändern und sich zum Beispiel als Plateaus in der Magnetisierungskurve zeigen.

Magnetische Strukturen kartiert

Ein japanisches Team um Prof. Hiroki Wadati, Universität Tokio, hat die magnetischen Strukturen in SrCo6O11 am Hochfeld-Diffraktometer von BESSY II charakterisiert. Wie häufig bei der Synthese neuer Materialien, mussten sie mit winzigen Einkristallen arbeiten, die Durchmesser von gerade mal 0,2 Millimetern besaßen. Durch die extrem empfindliche Methode der resonanten Röntgenstreuung, eine Spezialität der Instrumentierung an der UE46_PGM1 Beamline, gelang es ihnen jedoch an diesen Proben, die mit bloßem Auge kaum sichtbar sind, eine hochinteressante Beobachtung zu machen. Sie entdeckten eine sogenannte Teufelstreppe in der Spin-Anordnung. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich durch einen äußeren Parameter, hier ein magnetisches Feld, unzählig viele kommensurable (mit gleichem Maß messbare oder vergleichbare) Überstrukturen einstellen lassen. Dies geht weit über ein einfaches Spin-Ventil hinaus und könnte neue Anwendungen in der Spintronik ermöglichen. An der Forschungsarbeit war auch ein Team des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden und des HZB beteiligt.

Physical Review Letters 114, 236403 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.114. 236403): Observation of a Devil’s Staircase in the Novel Spin-Valve System SrCo6O11; T. Matsuda, S. Partzsch, T. Tsuyama, E. Schierle, E. Weschke, J. Geck, T. Saito, S. Ishiwata, Y. Tokura and H. Wadati