Magnetwiderstand auf atomarer Skala

  • 08. May 2017

Neue Methode misst Stromfluss im Magnetfeld auf Nanometer genau.

Wissen­schaftlern der Universität Göttingen ist es gelungen, den Einfluss eines Magnet­feldes auf den elektrischen Strom­transport auf mikro­skopischer Ebene zu verstehen. Mit Hilfe eines eigens hierfür kon­struierten Rastertunnel­mikroskops war es ihnen erstmals möglich, den Elektronen­fluss bis auf die atomare Skala zu vermessen.

Abb.: Rastertunnelpotentiometrie-Aufnahme einzelner Graphen-Inseln für verschiedene Magnetfeldrichtungen. Der Farbverlauf zeigt den gemessenen Spannungsabfall, die gelben Pfeile deuten die dazugehörige Stromrichtung an. (Bild: U. Göttingen)

Abb.: Rastertunnelpotentiometrie-Aufnahme einzelner Graphen-Inseln für verschiedene Magnetfeldrichtungen. Der Farbverlauf zeigt den gemessenen Spannungsabfall, die gelben Pfeile deuten die dazugehörige Stromrichtung an. (Bild: U. Göttingen)

Der Magnet­widerstand, die Änderung des elek­trischen Wider­standes mit dem Magnet­feld, ist eine wichtige physika­lische Größe, die grundlegend Aufschluss über die Eigen­schaften eines Materials geben kann. „Klassisch werden Elektronen in einem Magnet­feld aufgrund der Lorentz-Kraft zusätzlich seitlich abgelenkt. Wie stark sie abgelenkt werden, hängt von der Leit­fähigkeit und der Ladungs­trägerkon­zentration des Materials ab, in dem sie sich bewegen“, erläutert Philip Willke vom IV. Physika­lischen Institut der Uni­versität Göttingen, der sich im Rahmen seiner Doktor­arbeit mit dem Thema beschäftigte. „Magnet­felder werden zum Beispiel in elek­tronischen Bauteilen verwendet. Diese sind nur noch wenige atomare Lagen dick. Deshalb ist es nötig, hoch­auflösende Mikro­skope zu verwenden, um den Strom­fluss zu charak­terisieren.“

Um einen Einblick auf diese Längen­skalen zu erhalten, benutzte die Forscher­gruppe ein Rastertunnel­mikroskop. Dieses ertastet ähnlich wie Blinden­schrift die Ober­fläche einer Probe, in diesem Fall mit einer dünnen Metall­spitze. „Diese Methode erlaubt es, Abbil­dungen bis auf die Skala von wenigen Nano­metern zu erstellen“, ergänzt Thomas Kotzott vom IV. Physika­lischen Institut. „Darüber hinaus sind Messungen des Elektronen­transports ins­besondere in hohen Magnet­feldern nicht trivial, und wir mussten die Instru­mente und Methoden eigens entwickeln.“

Besonderes Augen­merk legten die Forscher auf den Einfluss von Defekten, kleinen Schönheits­fehlern im Material. Diese führen in der Regel zu einem höheren Widerstand der Proben­systeme. „Wir konnten mit einem Blick auf die Nanoskala erstmals zeigen, dass die von uns charak­terisierten Defekte im Material ihren Wider­stand im Magnet­feld nicht ändern, im Gegen­satz zum Rest der Probe“, ergänzt Arbeits­gruppen­leiter Martin Wenderoth. Die Forscher führen dies auf einen anderen Streu­mechanismus zurück. Diese inno­vative Methode erlaubt somit erstmals neue Einblicke in den elek­trischen Stromfluss bis hinunter auf die atomare Skala und kann zukünftig helfen, Materia­lien mit hoher Auflösung zu charak­terisieren.

GAU Göttingen / JOL

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