In die Tiefe geschaut

  • 04. October 2013

Die Untersuchungsmethode SPEELS liefert Informationen über die magnetischen Eigenschaften von Materialien, auch unterhalb der Oberfläche. 

Oberflächliche Betrachtungen helfen selten weiter – das haben sich Wissenschaftler aus Halle und Leipzig zu Herzen genommen: Sie erforschen Kombinationen aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialien, aus denen sich Bauelemente für die Spintronik herstellen lassen. Wie das Team jetzt zeigen konnte, liefert die Untersuchungsmethode SPEELS (spin polarized electron energy loss spectroscopy) nicht nur Informationen über die Oberflächen magnetischer Strukturen. An einem mit einer dünnen Eisenschicht bedeckten Iridium-Kristall wiesen sie vielmehr nach, dass zum SPEELS-Signal auch die tiefer liegende Grenzfläche zwischen Eisen und Iridium beiträgt und nicht nur die Oberfläche.

SPEELS-Messung

Abb.: SPEELS liefert Informationen aus der Tiefe eines Materials: Spinpolarisierte Elektronen (rot) treffen von links oben auf die Oberfläche von Eisen, das auf einer nichtmagnetischen Iridium-Unterlage aufgetragen ist. Die Elektronen werden gestreut, regen dabei Spinwellen (Magnonen) an und verlassen die Oberfläche mit entgegengesetztem Spin. Die Energie der Spinwellen ist höher, je stärker die magnetische Austauschwirkung zwischen den Atomen. Diese nimmt unter der Oberfläche ab und ist an der Grenze zwischen Eisen und Irridium am niedrigsten. (Bild: MPI für Mikrostrukturphysik)


Bislang untersuchten Physiker mit der SPEELS-Methode meist nur die Oberfläche einer magnetischen Struktur. Dabei wird eine Probe mit spin-polarisierten Elektronen bestrahlt. Diese streuen an den Atomen der magnetischen Struktur und regen darin eine Spinwelle, ein Magnon, an. Der Spin der Elektronen, die schließlich von der Probe wieder abgestrahlt werden, zeigt in die entgegengesetzte Richtung.

Indem Wissenschaftler die eingestrahlten und die gestreuten Elektronen vergleichen, können sie die Eigenschaften der Magnonen ermitteln und somit den Magnetismus der Struktur untersuchen. Das galt bisher nur für die Oberfläche, da man annahm, dass die Elektronen nur einige wenige Atomlagen weit in das bestrahlte Material eindringen und daher auch nur Oberflächen-Magnonen anregen könnten.

Forscher um Khalil Zakeri und Jürgen Kirschner vom MPI für Mikrostukturphysik in Halle gingen jetzt der Frage nach, wie sich Informationen aus tiefer liegenden Grenzschichten erhalten lassen. „Ein Magnon ist eine kollektive Anregung aller magnetischen Momente in dem Material, alle Elementarmagnete tragen dazu bei. Man darf die Interpretation der Messungen daher nicht auf Oberflächen-Magnonen beschränken“, sagt Zakeri. Er und seine Mitarbeiter haben das an einer sechs bis neun Atomlagen dicken Eisenschicht demonstriert, die sie auf nicht-magnetisches Iridium aufgebracht hatten.

Ein Magnon macht sich in einem SPEEL-Spektrum bemerkbar als Spitze oder zumindest Erhöhung. „So haben wir zunächst einmal die Energien aller Magnonen bestimmt“, erläutert Zakeri. „Von dem Magnon mit der niedrigsten Energie hatten wir schon vermutet, dass es einer Spinwelle entspricht, die sich im Wesentlichen an der Grenzfläche zwischen Eisen und Iridium befindet.“

Um die Vermutung in Gewissheit zu verwandeln, verglichen sie die Messungen mit ab-initio-Berechnungen. Dabei zeigte sich, dass die SPEELS-Methode auch in die Tiefe eines Materials blickt, weil die Rechnungen die Spinwelle niedrigster Energie an der Grenze zwischen Eisen und Iridium verorteten. Mit diesen Ergebnissen haben die Forscher die Spektroskopie an magnetischen Strukturen und damit möglicherweise die Entwicklung von Bauelementen für die Spintronik ein Stück voran gebracht.

MPG / AH

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