“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.
- Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigertPerowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und liefern viel Leistung pro Fläche. Allerdings sind sie bisher noch nicht stabil genug für den Langzeit-Einsatz. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate durch eine neuartige Beschichtung der Grenzfläche zwischen Perowskitschicht und dem Top-Kontakt die Stabilität drastisch erhöht. Dabei stieg der Wirkungsgrad auf knapp 27 Prozent, was dem aktuellen state-of-the-art entspricht. Dieser hohe Wirkungsgrad nahm auch nach 1.200 Stunden im Dauerbetrieb nicht ab. An der Studie waren Forschungsteams aus China, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt. Sie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
- Energie von Ladungsträgerpaaren in Kuprat-VerbindungenNoch immer ist die Hochtemperatursupraleitung nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forschungsteam an BESSY II die Energie von Ladungsträgerpaaren in undotiertem La₂CuO₄ vermessen. Die Messungen zeigten, dass die Wechselwirkungsenergien in den potenziell supraleitenden Kupferoxid-Schichten deutlich geringer sind als in den isolierenden Lanthanoxid-Schichten. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung bei und könnten auch für die Erforschung anderer funktionaler Materialien relevant sein.
- Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein ÜberblickHybride Elektrokatalysatoren können beispielsweise gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren. Dies verspricht wirtschaftlich rentable Anwendungen. Die komplexen katalytischen Reaktionen, die bei der Herstellung organischer Verbindungen ablaufen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es, Katalysatormaterialien und die an ihren Oberflächen ablaufenden Reaktionen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen zu analysieren. Dies liefert Erkenntnisse, die für eine gezielte Optimierung genutzt werden können. Ein Team hat nun in Nature Reviews Chemistry einen Überblick über den aktuellen Wissensstand veröffentlicht.