Spintronik an BESSY II: Domänenwände in magnetischen Nanodrähten
Diese magnetempfindlichen Abbildungen entstanden am HZB: a) XAS-Bild des Nanodraht-Kreuzes. Röntgenstrahl und Magnetfeld sind entlang der (vertikalen) Richtung des Nanodrahtes ausgerichtet (grüner Pfeil). b-f) XMCD-Bilder des Kreuzes für verschiedene angelegte Felder. © HZB
Magnetische Domänenwände sorgen für elektrischen Widerstand, da es für Elektronenspins schwierig ist, ihrer magnetischen Struktur zu folgen. Dieses Phänomen könnte in spintronischen Bauelementen genutzt werden, bei denen der elektrische Widerstand je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Domänenwand variieren kann. Eine besonders interessante Materialklasse sind Halbmetalle wie La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Sie weisen vollständige Spinpolarisation auf. Allerdings war der Widerstand einer einzelnen Domänenwand in Halbmetallen bisher noch nicht bestimmt worden. Nun hat ein Team aus Spanien, Frankreich und Deutschland eine einzelne Domänenwand auf einem LSMO-Nanodraht erzeugt und Widerstandsänderungen gemessen, die 20mal größer sind als bei normalen Ferromagneten wie Kobalt.
Die magnetische Textur, die magnetischen Domänenwänden eigen ist, birgt Potenzial für spintronische Anwendungen. Der elektrische Widerstand in Ferromagneten hängt davon ab, ob Domänenwände vorhanden sind oder nicht. Dieser binäre Effekt (bekannt als Domänenwand-Magnetowiderstand) könnte zur Codierung von Informationen in spintronischen Speichergeräten genutzt werden. Ihre Nutzung wird jedoch durch die geringen Änderungen des Widerstands behindert, die bei normalen Ferromagneten beobachtet werden. Eine besonders interessante Klasse von Materialien sind Manganit-Perowskite wie La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Diese Verbindungen weisen nur eine Art von Spin auf (vollständige Spinpolarisation), was potenziell zu Domänenwand-Magnetowiderstandseffekten führen könnte, die groß genug sind, um in einer neuen Generation von spintronischen Sensoren und Injektoren genutzt zu werden.
Trotz dieser Perspektive gibt es große Diskrepanzen bei den berichteten Werten des Domänenwand-Magnetowiderstands für dieses System. Ein Team aus Spanien, Frankreich und Deutschland hat nun Bauelemente aus Nanodrähten hergestellt, die die Keimbildung einzelner magnetischer Domänenwände ermöglichen. Magnetotransportmessungen zeigen, dass das Vorhandensein einer Domänenwand zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands um bis zu 12 % führt. In absoluten Zahlen ist die beobachtete Widerstandsänderung 20mal größer als in einem normalen Ferromagneten wie Kobalt.
Diese Arbeit ist das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit, die Filmwachstum und Nanofabrikation, Transportmessungen, Kontaktmikroskopie (MFM), theoretische Simulationen und den Einsatz fortschrittlicher Charakterisierungstechniken wie der Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie umfasst. Die Kombination einer Vielzahl unterschiedlicher Techniken ermöglicht einen facettenreichen Blick auf ein komplexes Problem, der neue Einblicke in eine heftig diskutierte offene Frage ermöglicht hat.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.