Mit Spannung zwischen 0 und 1 umschalten

  • 01. June 2015

Forscher kontrollieren magnetische Domänen mit Hilfe eines elektrischen Feldes.

Information lässt sich digital als Folge von Bits in Form der Ziffern 0 und 1 schreiben. Dabei finden Materialien mit ferromagnetischen Domänen Verwendung, mit denen sich digitale Informationen verarbeiten lassen, indem man die Magnetisierung der einzelnen Bits über magnetische Felder kontrolliert. Das erfordert jedoch viel Energie. Ein internationales Team unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Berlin hat jetzt einen neuen Ansatz vorgestellt, der weniger Energie erfordert: Die Wissenschaftler kontrollieren magnetische Domänen mit Hilfe eines elektrischen Feldes.

Spintronik-Schalter

Abb.: 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. (Bild: HZB)

Ihre Probe bestand aus zwei Schichten mit unterschiedlichen ferroischen Eigenschaften: Auf einem ferroelastischen BTO-Substrat (BaTiO3) 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 im 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 vom HZB, der die Studie geleitet hat. Mit Hilfe von XPEEM-Daten an BESSY II beobachtete das Team, wie das elektrische Feld am BTO-Substrat die magnetischen Ausrichtungen im FeRh-Film beeinflusste.

Das 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. Durch die Verzerrung im BTO steigt die Übergangstemperatur im FeRh an, die den antiferromagnetischen Zustand von dem ferromagnetischen Zustand trennt. Normalerweise liegt diese Übergangstemperatur für FeRh bei etwa 90 Grad Celsius, aber unter mechanischer Spannung steigt sie auf etwa 120 Grad. Um den Effekt zu demonstrieren, führten die Wissenschaftler das Experiment bei 115 Grad 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.

„Wir haben hier eine Struktur, die wir schon in der Nähe der Raumtemperatur zwischen zwei verschiedenen magnetischen Zuständen umschalten können“, erklärt Valencia. „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.“

HZB / RK

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