Spintronik: Mit Spannung zwischen „0“ und „1“ umschalten

Ein ferromagnetischer FeRh-Film ist auf ferroelastischem BTO mit den kristallinen Domänen a und c aufgewachsen. Bei 0 Volt zeigen XPEEM-Daten über den a-Domänen des BTO ferromagnetische Domänen im FeRh (blau-rote Muster), über den c-Domänen ist die Nettomagnetisierung im FeRh dagegen Null.  Eine Spannung von 50 Volt wandelt a-Domänen zu c-Domänen um und schaltet dadurch die ferromagnetischen Domänen im FeRh aus.

Ein ferromagnetischer FeRh-Film ist auf ferroelastischem BTO mit den kristallinen Domänen a und c aufgewachsen. Bei 0 Volt zeigen XPEEM-Daten über den a-Domänen des BTO ferromagnetische Domänen im FeRh (blau-rote Muster), über den c-Domänen ist die Nettomagnetisierung im FeRh dagegen Null. Eine Spannung von 50 Volt wandelt a-Domänen zu c-Domänen um und schaltet dadurch die ferromagnetischen Domänen im FeRh aus. © HZB

In einer Struktur aus zwei verschiedenen ferroischen Schichten hat ein Team aus Paris und dem HZB es geschafft, mit Hilfe einer Spannung magnetische Domänen an und auszuschalten. Dies gelang jetzt schon nahe der Raumtemperatur. Ihre Arbeit ist für zukünftige Anwendungen in der Spintronik interessant, zum Beispiel um Daten mit weniger Energieaufwand schnell und effizient zu speichern. Die Ergebnisse sind nun in Scientific Reports veröffentlicht.

Im digitalen Zeitalter kann Information als Folge von „Bits“ in Form der Ziffern “0” und “1“ geschrieben werden. Dabei nutzt man Materialien mit ferromagnetischen Domänen, um digitale Informationen zu verarbeiten, indem man die Magnetisierung der einzelnen Bits über magnetische Felder kontrolliert. Dies erfordert jedoch viel Energie. Jetzt hat ein Team am HZB gemeinsam mit Lee C. Phillips und Kollegen aus Frankreich einen neuen Ansatz vorgestellt, der weniger Energie erfordert: Sie kontrollieren magnetische Domänen mit Hilfe eines elektrischen Feldes.

Probe aus zwei "ferroischen" Schichten

Ihre Probe bestand aus zwei Schichten mit unterschiedlichen ferroischen Eigenschaften: auf einem ferroelastischen BaTiO3 (BTO) Substrat brachten sie einen dünnen Film aus ferromagnetischem FeRh auf. Bereits im vergangenen Jahr beobachteten sie in diesem System eine starke magnetoelektrische Kopplung zwischen beiden Schichten, die es ermöglichte, über kleine elektrische Felder am BTO-Substrat einzelne Domänen in dem FeRh-Film zu verändern.

Nun fanden sie deutlich größere Effekte: „Wir konnten über eine niedrige Spannung am BTO-Substrat die ferromagnetischen Domänen im FeRh-Film vollständig an- oder ausschalten“, erklärt Sergio Valencia, der HZB-Forscher, der die Studie geleitet hat. Mit Hilfe von XPEEM-Daten an BESSY II beobachteten sie, wie das elektrische Feld am BTO-Substrat die magnetischen Ausrichtungen im FeRh-Film beeinflusste.

Spannung, Magnetismus,Temperatur

Dies funktioniert, weil das elektrische Feld am BTO-Substrat über einen ferroelastischen Effekt bestimmte kristalline Domänen im BTO verzerrt. Diese mechanische Spannung überträgt sich auf den FeRh-Film und schaltet seine ferromagnetischen Domänen aus. Oder wie es der Physiker Valencia ausdrückt: “Durch die Verzerrung im BTO steigt die Übergangstemperatur im FeRh an, die den antiferromagnetischen Zustand (keine Netto-Magnetisierung) von dem ferromagnetischen Zustand trennt. Normalerweise liegt diese Übergangstemperatur für FeRh um die 90 °C, aber unter mechanischer Spannung steigt sie auf etwa 120 °C.“

Um diesen Effekt zu demonstrieren, führten die Wissenschaftler das Experiment bei 115 °C durch, einer Temperatur, bei der ohne Spannung im FeRh ferromagnetische Domänen vorhanden sind. Sobald die Spannung angelegt wurde, wurden diese ferromagnetischen Domänen antiferromagnetisch, d.h. die Magnetisierung verschwand.

Umschalten nahe der Raumtemperatur

“Dies ist sehr wichtig”, erklärt Valencia. „Wir haben hier eine Struktur, die wir schon in der Nähe der Raumtemperatur zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen umschalten können. Das ist genau das, was wir brauchen, um Bauteile zu entwickeln, die bei Raumtemperatur arbeiten. Zudem reicht für das Umschalten bereits ein niedriges elektrisches Feld aus, das wenig Energie benötigt. Wir arbeiten nun daran, den FeRh-Film mit Palladium-Atomen zu dotieren, um diese Effekte noch näher an der Raumtemperatur zu erzeugen.“


Zur Publikation: Scientific Reports doi:10.1038/srep10026

Local electrical control of magnetic order and orientation by ferroelastic domain  arrangements just above room temperature, L. C. Phillips, R. O. Cherifi, V. Ivanovskaya, A. Zobelli, I. C. Infante, E. Jacquet, N. Guiblin, A. A. Ünal, F. Kronast, B. Dkhil, A. Barthélémy, M. Bibes and S. Valencia

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Shutdown bei BESSY II: Neue Versorgungstechnik sichert langfristig den Betrieb
    Nachricht
    20.05.2022
    Shutdown bei BESSY II: Neue Versorgungstechnik sichert langfristig den Betrieb
    Die Röntgenquelle BESSY II befindet sich in einem dreimonatigen Shutdown. In dieser Zeit wird die Niederspannungshauptverteilung im Versorgungsgebäude außerhalb des Elektronenspeicherrings erneuert. Dies sichert den langfristigen stabilen Betrieb von BESSY II über das nächste Jahrzehnt hinaus.

  • Wärmedämmung für Quantentechnologien
    Science Highlight
    19.05.2022
    Wärmedämmung für Quantentechnologien
    Neue energieeffiziente IT-Bauelemente arbeiten häufig nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil. Daher kommt es entscheidend auf eine sehr gute Wärmeisolierung solcher Elemente an, was die Entwicklung von Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit erfordert. Ein Team am HZB hat nun mit einem neuartigen Sinterverfahren nanoporöse Silizium-Aluminium-Proben hergestellt, in welchen Poren und Nanokristallite den Transport von Wärme behindern und so die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduzieren. Die Forschenden haben ein Modell für die Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit entwickelt, das anhand von Messdaten zur Mikrostruktur der Proben und deren Wärmeleitfähigkeit bestätigt wurde. Damit liegt erstmals eine Methode für die gezielte Entwicklung von komplexen porösen Materialien mit ultraniedriger Wärmeleitfähigkeit vor.
  • Magnetische Nanopartikel in biologischen Trägern einzeln charakterisiert
    Science Highlight
    17.05.2022
    Magnetische Nanopartikel in biologischen Trägern einzeln charakterisiert
    Magnetische Nanostrukturen sind vielversprechende Werkzeuge für medizinische Anwendungen. Eingebaut in biologische Vehikel, lassen sich diese dann durch externe Magnetfelder an ihren Einsatzort im Körper steuern, wo sie Medikamente freisetzen oder Krebszellen zerstören können. Dazu ist jedoch die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften solcher Nanoteilchen nötig. Bisher konnten solche Informationen nur gemittelt über tausende Nanopartikel gewonnen werden. Nun hat ein Team am HZB eine Methode entwickelt, um die charakteristischen Parameter jedes einzelnen magnetischen Nanopartikels zu bestimmen.