Unter einer Lage Kohlenstoff konserviert
Phoenex-Apparatur
© HZB
HZB-Wissenschaftler entwickeln Verfahren, um elektronische Oberflächenzustände mit Graphen dauerhaft zu machen.
Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) ist es jetzt gemeinsam mit Kollegen aus Dresden und Jülich gelungen, die elektronischen Oberflächenzustände eines Metalls dauerhaft zu konservieren. Dazu versiegelten sie die Oberfläche des Metalls Iridium mit einer Kohlenstoffschicht, die die Stärke von nur einem Atom hat. Diese als Graphen bezeichnete Modifikation des Kohlenstoffs schirmt äußere Einflüsse wirksam ab. Die Fähigkeit, die elektronischen Oberflächenzustände haltbar zu machen, ist für die Spintronik von größtem Interesse. Ihre Erkenntnisse haben die HZB-Forscher heute in dem Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.066804).
Die Spintronik nutzt das magnetische Moment – den Spin – von Elektronen, um Informationen zu verarbeiten. An Oberflächen lassen sich Elektronen mit unterschiedlichem Spin besonders gut voneinander unterscheiden, denn dort liegt eine sogenannte Symmetriebrechung vor. Allerdings sind die Elektronen an der Oberfläche einer Substanz sehr aktiv und gehen schnell chemische Verbindungen beispielsweise mit Sauerstoff ein. Ein bestimmter Spin-Zustand ließ sich deshalb bisher nur unter extremen Bedingungen, etwa im Ultrahochvakuum, erhalten.
Die Forscher am HZB haben für ihre erfolgreichen Versuche, die elektronische Oberflächenstruktur zu konservieren, mit dem Metall Iridium experimentiert. „Wir haben das Metall katalytisch mit dem Gas Propylen, einen Kohlenwasserstoff, behandelt“, sagt Projektleiter Dr. Andrei Varykhalov von der HZB-Abteilung Magnetisierungsdynamik. An der Oberfläche komme es dann zu zwei Konkurrenzreaktionen, so Varykhalov weiter, bei der die Graphenisierung jedoch die stärkere sei: „So bildet sich auf dem Iridium eine einschichtige Lage von Kohlenstoffatomen.“
Diese Graphenschicht sowie die Spinzustände der obersten Metallschicht haben die HZB-Forscher dann mit ausgefeilten Analysemethoden am Elektronenspeicherring BESSY II untersucht. Dabei kam ein Gerät aus der Teilchenphysik, ein sogenannter Spindetektor, zum Einsatz.
„Wir konnten dabei zunächst nachweisen, dass sich die Spinzustände des Iridiums unter der Graphenschicht nicht verändern. Das haben auch Modellrechnungen am Forschungszentrum Jülich bestätigt“, erklärt Varykhalov: „In einem zweiten Schritt haben wir dann festgestellt, dass sie auch an der Luft exakt erhalten bleiben“ Dies sei ein wichtiger Fortschritt für die Spintronik. Varykhalov: „Bei unserem graphenbeschichteten Iridium handelt es sich noch um ein Forschungsmodell. Wenn es uns aber gelingt, die Spin-Zustände auf einem Isolator mit Hilfe von Graphen zu konservieren, rücken konkrete Anwendungen für die Spintronik in greifbare Nähe.“
- Weltweit nur an BESSY II: IR-Nanoskopie bei sehr langen THz-Wellenlängen
Ein HZB-Team hat an der IRIS-Beamline bei BESSY II neue experimentelle Optionen geschaffen: Die Infrarot-Nanoskopie mit einer räumlichen Auflösung von rund 50 nm bei sehr langen THz-Wellenlängen. Möglich wurde dies durch den „Low-Alpha-Betriebsmodus“ an BESSY II, ein besonderes zeitliches Muster von Lichtimpulsen. Weltweit ist BESSY II nun die einzige Synchrotronlichtquelle, die in einem Versuchsaufbau Nanoskopie im Bereich von 25 bis 4000 cm-1 anbietet – eine einzigartige Möglichkeit zur ultrabreitbandigen Charakterisierung komplexer Materialien im Nanobereich sowohl in den Lebenswissenschaften als auch in den Materialwissenschaften.
- Ultraschnelle Entmagnetisierung - Dünneres Eisen, stärkere Wirkung
Je dünner eine Eisenschicht, desto leichter lässt sie sich durch einen Laserpuls entmagnetisieren. Forschende der Universität Duisburg-Essen haben gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin und weiteren Partner:innen herausgefunden, warum das so ist: Entscheidend ist die magnetische Ordnung an den Grenzflächen des Materials. Die Erkenntnisse könnten langfristig dazu beitragen, neue Technologien für die magnetische Datenspeicherung zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.