Magnetischer Schalter mit hohem Anwendungspotenzial

Forschergruppen aus Paris, Newcastle und dem Helmholtz-Zentrum Berlin ist es gelungen, robusten Ferromagnetismus in einem Materialsystem mit einem elektrischen Feld und nahe der Raumtemperatur an- und auszuschalten. Ihre Ergebnisse könnten Anwendungen wie schnelle, energieeffiziente und nichtflüchtige Datenspeicher ermöglichen.

Die Probe bestand aus einem kristallinen Substrat aus BaTiO_³, das mit magnetischem FeRh beschichtet war. Schon ein kleines äußeres elektrisches Feld schaltete die magnetische Ordnung in der Probe um. Experimente an BESSY II sowie weitere Messungen und Berechnungen haben aufgeklärt, was in der Probe geschieht: Da BaTiO₃ ferroelektrisch ist, induziert ein äußeres elektrisches Feld mechanische Spannungen im Substrat; diese Spannungen übertragen sich auf den magnetischen FeRh-Film, wodurch sich der magnetische Ordnungszustand dramatisch verändert, von Ferromagnetismus (starke Magnetisierung) zu Antiferromagnetismus (insgesamt Null-Magnetisierung). Der Effekt ist zehnmal stärker als bislang in anderen Materialien beobachtet und tritt bei einer Temperatur auf, die nicht weit von Raumtemperatur entfernt ist. Die Ergebnisse sind online am 26. Januar in Nature Materials erschienen unter der DOI: 10.1038/nmat3870.

Bislang war es nicht möglich, bei Raumtemperatur Ferromagnetismus mit einem moderat hohen elektrischen Feld einfach an- oder auszuschalten. Doch solche magnetischen Schalter wären sehr nützlich für spintronische Bauelemente und künftige Datenspeicher, die Daten rascher und nichtflüchtig speichern könnten und dafür auch weniger Energie bräuchten als herkömmliche Speicher.

Nun haben Wissenschaftler der Unité Mixte de Physique CNRS/Thales und der Université Paris Sud ein neuartiges Materialsystem hergestellt, das interessante Eigenschaften besitzt: Wie Messungen von Sergio Valencia, Akin Ünal und Florian Kronast vom HZB zeigten, kann die magnetische Ordnung durch ein elektrisches Feld kontrolliert werden. Die Probe reagiert rund zehnmal empfindlicher auf moderate elektrische Felder als bislang bekannte Materialien.

Die neue Struktur besteht aus einem ferroelektrischen BaTiO₃ Substrat, das mit einem dünnen magnetischen FeRh-Film beschichtet ist. Um die magnetische Ordnung mit mikroskopischer Auflösung zu ermitteln, untersuchte das HZB-Team die Proben am Spin-aufgelösten Photo-Emissions-Elektronenmikroskop an BESSY II bei unterschiedlichen Spannungen und einer Temperatur von 385 K oder 112 °Celsius. “Schon ein verhältnismäßig niedriges elektrisches Feld löst in der Probe eine dramatische Veränderung aus und schaltet den Ordnungszustand von Ferromagnetismus in Antiferromagnetismus um”, berichtet Valencia. Die detaillierte Analyse der Daten zeigte, dass das Phänomen sowohl durch die mechanische Spannung als auch durch Feldeffekte im BaTiO₃ vermittelt wird. Daraus ergibt sich eine magnetoelektrische Kopplung, die eine Größenordnung stärker ist als in bisher untersuchten Materialien.

Die Möglichkeit, mit elektrischer Spannung (und nahezu ohne Stromfluss, also fast ohne Leistung) zwischen magnetischen Ordnungszuständen umzuschalten, ist eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Magnetspeichertechnologien, die mit einem Laser im Schreibkopf lokal Hitze erzeugen, um die Magnetisierung eines Bits zu verändern. “Unsere Arbeit zeigt, dass hybride Perowskit/Metall-Systeme wie BaTiO₃/FeRh für spintronische Architekturen sehr interessant sind. Solche Systeme könnten sich in Zukunft weiter optimieren lassen, so dass der Effekt auch bei Raumtemperatur auftritt“, sagt Valencia.