“Teufelstreppe” in einem Spin-Ventil-System
Der Durchmesser der hexagonalen Einkristalle aus SrCo6O11 misst höchstens 0,2 Millimeter.
Die Probe zeigt Plateaus in der Magnetisierung die mit unterschiedlichen Spin-Anordnungen verbunden sind.
Ein Japanisch-Deutsches Team entdeckt in einem komplexen Kobaltoxid-Einkristall an BESSY II, wie sich die Spins stufenweise zu einer ungewöhnlichen Anordnung formieren. Dies könnte neue spintronische Bauelemente ermöglichen.
Materialien mit komplexen magnetischen Strukturen gelten als interessante Kandidaten für Anwendungen in der “Spintronik”, deren Ziel es ist, mit weitaus weniger Energieeinsatz Daten zu verarbeiten oder zu speichern. Ein bekanntes Beispiel ist das so genannte “Spin-Ventil“, bei dem die Stromstärke, die durch das Element durchgelassen wird, empfindlich von der Anordnung der magnetischen Spins abhängt. In künstlichen Schichtsystemen können diese Anordnungen durch äußere magnetische Felder kontrolliert werden, was zu dem Riesenmagnetowiderstand-Effekt (Giant Magnetoresistance oder GMR) führt, für den Albert Fert und Peter Grünberg 2007 den Nobelpreis für Physik erhielten.
Kobaltoxide: magnetisch höchst komplex
Während klassische GMR-Systeme aus metallischen Schichten bestehen, die künstlich übereinander gewachsen werden, bieten oxidische Materialien eine interessante Alternative: Denn hier können sich Schichtstrukturen mit alternierenden magnetischen Konfigurationen intrinsisch einstellen,. So weisen Kobaltoxide komplexe magnetische Ordnungen auf, die sich mit steigendem Feld verändern und sich zum Beispiel als Plateaus in der Magnetisierungskurve zeigen.
Magnetische Strukturen kartiert
Ein japanisches Team um Professor Hiroki Wadati, Universität Tokio, hat nun die magnetischen Strukturen in SrCo6O11 am Hochfeld-Diffraktometer von BESSY II charakterisiert. Wie häufig bei der Synthese neuer Materialien, mussten sie mit winzigen Einkristallen arbeiten, die Durchmesser von gerade mal 0,2 Millimetern besaßen. Durch die extrem empfindliche Methode der resonanten Röntgenstreuung, eine Spezialität der Instrumentierung an der UE46_PGM1 Beamline von BESSY II, gelang es ihnen jedoch an diesen Proben, die mit bloßem Auge kaum sichtbar sind, eine hochinteressante Beobachtung zu machen. Sie entdeckten eine “Teufelstreppe” in der Spin-Anordnung. Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich durch einen äußeren Parameter, hier ein magnetisches Feld, unzählig viele kommensurable Überstrukturen einstellen lassen.
Teufelstreppe eröffnet neue Optionen
Dies geht weit über ein einfaches Spinventil hinaus und könnte neue Anwendungen in der Spintronik ermöglichen. An der Forschungsarbeit, die nun in Physical Review Letters publiziert ist, war auch ein Team vom Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden und vom HZB beteiligt.
Publikation: T. Matsuda, S. Partzsch, T. Tsuyama, E. Schierle, E. Weschke, J. Geck, T. Saito, S. Ishiwata, Y. Tokura, and H. Wadati, "Observation of a Devil’s Staircase in the Novel Spin-Valve System SrCo6O11", Physical Review Letters 114 (236403-1-5):
doi:10.1103/PhysRevLett.114.236403.
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.
- CIGS-Perowskit-Tandemzelle erreicht Rekordwirkungsgrad von 25,5 %Ein Berliner Team aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Center for the Science of Materials Berlin (CSMB) an der Humboldt-Universität zu Berlin hat einen neuen Rekord für eine Tandemsolarzelle aufgestellt. Durch die Kombination einer CIGS-Halbleiterschicht mit Perowskit gelang es ihnen, 25,5 % des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln. Der bisherige Rekord für diese Materialkombination und diese Zellgröße lag bei 24,6 %. Der neue Rekord wurde zertifiziert und ist in den Solar Cell Efficiency Tables (den „Green Tables“) zu finden, die als Nachschlagewerk für die weltweite Photovoltaik-Gemeinschaft gelten.
- Unordnung erzeugt neue Eigenschaften in VerbindungshalbleiternEin internationales Forschungsteam hat gezeigt, dass intrinsische Unordnung im Verbindungshalbleiter CuInSnS₄ genutzt werden kann, um dessen optische Eigenschaften zu beeinflussen. Optische Anregungen (Exzitonen) reagieren empfindlich auf die lokale Anordnung der Atome. Dabei zeigen sie überraschenderweise eine richtungsabhängige Reaktion, obwohl die durchschnittliche Kristallstruktur kubisch ist. Diese Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf den Zusammenhang zwischen Unordnung und Materialeigenschaften und eröffnen neue Möglichkeiten für ein gezieltes „Unordnungs-Engineering“ in optoelektronischen und photokatalytischen Bauelementen.