Polaronen sorgen für merkwürdigen Magnetismus

  • 11. December 2012

Hinweise auf neuartiges Verhalten in magnetoresistiver Verbindung.

Magnetoresistive Materialien ermöglichen die sensitive Messung magnetischer Felder, denn ihr elektrischer Widerstand ändert sich messbar bei Änderungen des Winkels und der Stärke von Magnetfeldern. Weil sie außerdem miniaturisierbar sind, werden aus ihnen zahlreiche Sensoren gefertigt, die etwa in Speichermedien von Computern Daten auslesen oder in der Servolenkung von Autos den Lenkwinkel bestimmen.

Abb.: Eine Verbindung aus dem seltenen Erdmetall Gadolinium und dem Halbleiter Silizium zeigt ein ungewöhnliches, temperaturabhängiges, magnetoresistives Verhalten: Bei Temperaturen um 54 Kelvin verringert sich der Widerstand, bei noch tieferen Temperaturen erhöht er sich. (Bild: FZ Jülich)

Abb.: Eine Verbindung aus dem seltenen Erdmetall Gadolinium und dem Halbleiter Silizium zeigt ein ungewöhnliches, temperaturabhängiges, magnetoresistives Verhalten: Bei Temperaturen um 54 Kelvin verringert sich der Widerstand, bei noch tieferen Temperaturen erhöht er sich. (Bild: FZ Jülich)


Wissenschaftler des Peter Grünberg Instituts und der RWTH Aachen fanden nun ein ungewöhnliches temperaturabhängiges Verhalten einer magnetoresistiven Verbindung aus dem seltenen Erdmetall Gadolinium und dem Halbleiter Silizium: Bei Temperaturen um 54 Kelvin verringert sich der Widerstand dieses Materials auf bis zu ein Zehntel, bei noch tieferen Temperaturen erhöht er sich dagegen auf bis auf das Vierfache. Normalerweise reagieren magnetoresistive Materialien stets nur entweder mit einer Erhöhung oder einer Verringerung.

Zusätzlich entdeckten die Forscher ein ungewöhnliches Schrumpfungsverhalten beim Kühlen des Materials: Zunächst nimmt das Volumen ab, wie sie erwarteten. Aber unterhalb von 54 Kelvin nimmt es wieder zu. 54 Kelvin ist auch die Temperatur, unterhalb derer das Material magnetisch ist. „Diese Kombination von Phänomenen ist außergewöhnlich und hat uns veranlasst, genauer hinzuschauen“, erläutert Haifeng Li von der Außenstelle des Jülicher Zentrums für Forschung mit Neutronen am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich.

Mit Hilfe von Streuexperimenten fanden Li und seine Kollegen Hinweise auf einen neuen Mechanismus, der das auffallende Verhalten erklären kann. Quasiteilchen in den Leitungsbändern des Materials, so genannte magnetische Polaronen, sollen es verursachen. „Ein Polaron kann man sich wie eine magnetische Wolke vorstellen, die sich mit den Leitungselektronen durch das Material bewegt“ beschreibt Li. Je nach Winkel des äußeren Magnetfelds kann sich die Wolke schneller oder langsamer fortbewegen – der elektrische Widerstand sinkt oder steigt.

Die bisher bekannten magnetoresistiven Effekte in ferromagnetischen Materialien dagegen entstehen fast alle dadurch, dass ein äußeres Magnetfeld die Richtung der Magnetisierung beeinflusst und der Winkel zwischen Magnetisierung und Stromrichtung den elektrischen Widerstand verändert. Die Forscher hoffen nun, dass ihre Erkenntnisse helfen, weitere interessante Materialien dieses Typs zu finden, die auch bei höheren, praxistauglichen Temperaturen nutzbar sind.

FZ Jülich / PH

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