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Die Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) sind eine Materialklasse mit großem Potential für die Spintronik. Eine Studie an BESSY II hat gezeigt, dass in einem dieser Materialien bereits einfach linear polarisiertes Licht ausreicht, um Spins unterschiedlicher Ausrichtung selektiv zu manipulieren. Dieses Ergebnis eröffnet einen neuen Weg zur Erzeugung spinpolarisierter Ströme und ist ein Meilenstein für die Entwicklung spintronischer und opto-spintronischer Geräte.

Alexander Gray von der Temple University in Philadelphia, USA, arbeitet gemeinsam mit dem HZB-Physiker Florian Kronast an der Erforschung neuartiger 2D-Quantenmaterialien an BESSY II. Mit dem Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung kann er diese Zusammenarbeit nun vertiefen. Bei BESSY II will er tiefenaufgelöste röntgenmikroskopische und -spektroskopische Methoden weiterentwickeln, um 2D-Quantenmaterialien und Bauelemente für neue Informationstechnologien zu untersuchen. 

C₆₀-Moleküle auf einem Gold-Substrat wirken komplexer als ihr Vorbild aus Graphen, haben aber viel gewöhnlichere elektronische Eigenschaften. Dies zeigen nun Messungen mit ARPES an BESSY II und ausführliche Berechnungen.

Aufgrund seines gigantischen Rashba-Effekts gilt Germaniumtellurid (GeTe) als guter Kandidat für den Einsatz in spintronischen Bauelementen. Nun hat ein Team am HZB ein weiteres faszinierendes Phänomen in GeTe entdeckt. Dafür untersuchten die Forschenden die elektronische Reaktion auf thermische Anregung der Proben. Überraschenderweise verlief die anschließende Relaxation ganz anders als bei herkömmlichen Halbmetallen. Durch die gezielte Steuerung von Details der elektronischen Struktur könnten in dieser Materialklasse neue Funktionalitäten erschlossen werden.  

Um die besonders günstigen Eigenschaften von Perowskit-Halbleitern für Solarzellen zu erklären, kursieren verschiedene Hypothesen. So sollten Polaronen oder auch ein gigantischer Rashba-Effekt eine große Rolle spielen. Ein Team an BESSY II hat diese Hypothesen nun experimentell widerlegt. Damit grenzen sie die möglichen Ursachen für die Transporteigenschaften weiter ein und ermöglichen bessere Ansätze zur gezielten Optimierung dieser Materialklasse.

Eine internationale Kooperation hat Proben von NdBi-Kristallen untersucht, die interessante magnetische Eigenschaften aufweisen. Bei ihren Experimenten, darunter Messungen an BESSY II, konnten sie Hinweise auf so genannte Fermi-Bögen im antiferromagnetischen Zustand der Probe bei tiefen Temperaturen finden. Diese Beobachtung wird durch bestehende theoretische Vorstellungen noch nicht erklärt und eröffnet faszinierende Möglichkeiten, diese Art von Materialien für innovative Informationstechnologien zu nutzen, die auf Spins statt auf Elektronen basieren.

Ein internationales Team hat eine Kopplung zwischen zwei supraleitenden Regionen nachgewiesen, die durch ein ferromagnetisches Material von einem Mikrometer Breite getrennt sind. Dieser makroskopische Quanteneffekt ist als Josephson-Effekt bekannt und erzeugt einen Strom aus supraleitenden Cooper-Paaren innerhalb der ferromagnetischen Region. Messungen an BESSY II zeigten, dass der Spin der Cooper-Elektronen gleich ist. Die Ergebnisse weisen den Weg für supraleitende spintronische Anwendungen mit sehr geringem Energiebedarf, bei denen spinpolarisierte Ströme durch Quantenkohärenz geschützt sind.

Einem internationalen Team ist es an der Vektormagnetanlage VEKMAG an BESSY II gelungen, eine ungewöhnliche ferromagnetische Eigenschaft in einem zweidimensionalen Material nachzuweisen: eine sogenannte Anisotropie der leichten Ebene („easy-plane“). Die Ergebnisse könnten die Entwicklung von energieeffizienten Informationstechnologien weiter beflügeln und sind nun im renommierten Fachmagazin Science veröffentlicht.

Ein Team um den HZB-Physiker Dr. Jaime Sánchez-Barriga hat neue Einblicke in die ultraschnelle Anregung und Reaktion von Toplogischen Zuständen der Materie  auf Femtosekunden-Laseranregung gewonnen. Mit zeit- und spinaufgelösten Methoden untersuchten die Physiker an BESSY II, wie das komplexe Wechselspiel im Verhalten angeregter Elektronen im Volumen und an der Oberfläche nach optischer Anregung zu einer ungewöhnlichen Spindynamik führt. Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu spintronischen Bauelementen auf Basis topologischer Materialien für die ultraschnelle Informationsverarbeitung.

Neue Experimente an BESSY II mit magnetisch dotierten Topologischen Isolatoren zeigen vielversprechende Möglichkeiten für eine verlustfreie Signalübertragung auf. Ein überraschendes Phänomen der Selbstorganisation hilft dabei. Zukünftig könnte es so möglich sein, Materialien zu entwickeln, die dieses Phänomen bei Raumtemperatur zeigen und sich als Q-Bit Recheneinheiten in einem Quantencomputer einsetzen lassen. Die Arbeit ist im renommierten Wissenschaftsjournal Nature publiziert.

In bestimmten magnetischen Materialien wie Cu₂OSeO₃ entstehen magnetische Wirbel, so genannte Skyrmionen. Diese Skyrmionen lassen sich durch niedrige elektrische Ströme kontrollieren, was eine energiesparende Datenverarbeitung ermöglichen könnte. Nun ist es einem Team gelungen, an der VEKMAG-Station an BESSY II eine neue Technik zu entwickeln, um diese Wirbel präzise zu vermessen und dabei die drei unterschiedlichen Eigenschwingungen zu beobachten.

Ein HZB-Team hat zusammen mit internationalen Partnern an der Lichtquelle BESSY II ein neues Phänomen in Eisen-Nanokörnern auf einem ferroelektrischen Substrat beobachtet: Die magnetischen Momente der Eisenkörner richten sich superferromagnetisch aus, sobald eine elektrische Spannung anliegt. Der Effekt funktioniert bei Raumtemperatur und könnte zu neuen Materialien für IT-Bauelemente und Datenspeicher führen, die weniger Energie verbrauchen.