Magnetische Spiralen

  • 14. September 2017

Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in Halb­leiter­material

Einem Forscherteam aus der Schweiz und Frankreich ist es erst­mals gelungen, eine spiral­förmige magne­tische Ordnung in einem multi­ferro­ischen Material abzu­bilden. Diese gelten als viel­ver­sprechende Kandi­daten für zukünftige Daten­speicher. Der Nach­weis gelang dem Team mit selbst ent­wickelten Quanten­sensoren, die elektro­magne­tische Felder im Nano­meter­bereich analy­sieren können.

Quantensensor

Abb.: Ein einzelner Elektronen­spin in einem Quanten­sensor rea­giert auf das magne­tische Feld eines dünnen Bismut­ferrit­films. (Bild: U. Basel)

Multiferroika sind Materialien, die gleich­zeitig auf elek­trische wie auch auf magne­tische Felder rea­gieren. Die beiden Eigen­schaften kommen für gewöhn­lich nicht zu­sammen vor. Ihre Ver­bin­dung er­mög­licht es, die magne­tische Ord­nung der Materi­a­lien mit elek­tri­schen Feldern zu ver­än­dern. Beson­ders viel­ver­spre­chend ist das für neu­ar­tige Daten­speicher: Mit multi­ferro­ischen Mate­ri­alien könnten sich nano­meter­kleine magne­tische Speicher reali­sieren lassen, die man durch elek­trische Felder ent­schlüs­seln und ver­än­dern kann. Solche Magnet­speicher würden nur wenig Strom ver­brau­chen und sehr schnell ar­bei­ten. Zu­dem wären sie auch in der Spin­tro­nik ein­setz­bar – einer neuen Form der Elek­tro­nik, die neben der elek­tri­schen Ladung auch den Spin von Elek­tro­nen nutzt.

Bismutferrit ist ein multiferroisches Material, das auch bei Raum­tempe­ratur elek­trische und magne­tische Eigen­schaften besitzt. Während seine elek­trischen Eigen­schaften gut unter­sucht sind, gab es bisher keine geeig­nete Methode für die Dar­stel­lung der magne­tischen Ordnung auf Nano­meter­ebene. Die Gruppe von Patrick Male­tinsky vom Swiss Nano­science Institute und der Uni Basel hat Quanten­sensoren ent­wickelt, die auf Diamanten mit Stick­stoff-Vakanz­zentren basieren. Damit konnten sie zusammen mit Kollegen von der Unis Mont­pellier und Paris-Saclay die magne­tische Ordnung eines dünnen Bismut­ferrit-Films abbilden und unter­suchen. Zu wissen, wie sich die Elek­tronen­spins ver­halten und wie das Magnet­feld geordnet ist, ist für die zukünf­tige Nutzung von multi­ferro­ischen Materi­alien als Speicher von ent­schei­dender Bedeu­tung.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass Bismutferrit eine spiral­förmige magne­tische Ordnung auf­weist. Zwei über­ein­ander­liegende Elek­tronen­spins sind dabei gegen­läufig orien­tiert und rotieren im Raum. Bisher war man davon aus­ge­gangen, dass diese Rota­tion in einer Ebene ver­läuft. Die Quanten­sensoren wiesen nun nach, dass es durch eine leichte Ver­kan­tung der gegen­über­lie­genden Spins zu einer räum­lichen, leicht ver­drehten Rota­tion kommt.

„Unsere Diamant-Quantensensoren erlauben nicht nur eine quali­tative, sondern auch eine quanti­tative Analyse. Deshalb konnten wir die Spin-Anord­nung in Multi­ferroika zum ersten Mal detail­genau dar­stellen“, erklärt Male­tinsky die Ergeb­nisse. „Wir sind zuver­sicht­lich, dass sich dadurch die Erfor­schung dieser viel­ver­spre­chenden Materi­alien weiter voran­treiben lässt.“

Die verwendeten Quantensensoren bestehen aus winzigen ein­kristal­linen Diamanten, die an zwei benach­barten Stellen im Kristall­gitter eine Leer­stelle und ein Stick­stoff­atom auf­weisen. In diesen Stick­stoff-Vakanz­zentren kreisen einzelne Elek­tronen, deren Spin sehr empfind­lich auf äußere elek­trische und magne­tische Felder reagiert. So lassen sich die Felder mit einer Auf­lösung von nur wenigen Nano­metern abbilden. Die Quanten­sensoren sind für die Unter­suchung von ver­schie­den­sten Materi­alien geeignet, da sie sowohl bei Raum­tempe­ratur wie auch bei Tempe­raturen nahe des abso­luten Null­punktes detail­genaue quali­ta­tive wie quanti­ta­tive Daten liefern.

U. Basel / RK

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