Analyse von Heterostrukturen für die Spintronik zeigt, wie sich zwei gewünschte quantenphysikalische Effekte gegenseitig verstärken

Die Spintronik nutzt die Spins von Elektronen, um logische Operationen durchzuführen oder Informationen zu speichern. Im Idealfall könnten spintronische Geräte schneller und energieeffizienter arbeiten als herkömmliche Halbleitergeräte. Allerdings ist es immer noch schwierig, Spintexturen in Materialien zu erzeugen und zu manipulieren.

Graphen, eine zweidimensionale Wabenstruktur aus Kohlenstoffatomen, gilt als interessanter Kandidat für Spintronik-Anwendungen. Graphen wird typischerweise auf einem dünnen Film aus Schwermetall abgelagert.

An der Grenzfläche zwischen Graphen und Schwermetall entsteht eine starke Spin-Bahn-Kopplung, die verschiedene Quanteneffekte hervorruft, unter anderem eine Spin-Bahn-Aufspaltung der Energieniveaus (Rashba-Effekt) und eine Verkippung der Spinausrichtung (Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung). Der Spin-Verkippungseffekt wird insbesondere zur Stabilisierung von wirbelartigen Spintexturen, sogenannten Skyrmionen, benötigt, die sich besonders für die Spintronik eignen.

Ein spanisch-deutsches Team hat nun jedoch gezeigt, dass diese Effekte deutlich verstärkt werden, wenn man zwischen Graphen und Schwermetall (hier: Iridium) einige Monolagen des ferromagnetischen Elements Kobalt einfügt. Die Proben wurden auf isolierenden Substraten hergestellt, was eine notwendige Voraussetzung für die Realisierung multifunktionaler Spintronik-Bauelemente ist, die diese Effekte ausnutzen.

Die Forschung ist veröffentlicht im Journal ACS Nano.

„Wir haben bei BESSY II die elektronischen Strukturen an den Grenzflächen zwischen Graphen, Kobalt und Iridium analysiert“, sagt Dr. Jaime Sánchez-Barriga, Physiker am HZB. Wichtigste Erkenntnis: Anders als erwartet interagiert das Graphen nicht nur mit dem Kobalt, sondern über das Kobalt auch mit dem Iridium.

„Die Wechselwirkung zwischen dem Graphen und dem Schwermetall Iridium wird durch die ferromagnetische Kobaltschicht vermittelt“, erklärt Sánchez-Barriga. Die ferromagnetische Schicht verstärkt die Aufspaltung der Energieniveaus.

„Wir können den Spin-Canting-Effekt durch die Anzahl der Kobalt-Monolagen beeinflussen, am besten sind drei Monolagen“, sagt Sanchez-Barriga.

Dieses Ergebnis wird nicht nur durch experimentelle Daten, sondern auch durch neue Berechnungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie gestützt. Dass sich beide Quanteneffekte gegenseitig beeinflussen und verstärken, ist neu und unerwartet.

„Diese neuen Erkenntnisse konnten wir nur deshalb gewinnen, weil BESSY II über extrem empfindliche Instrumente zur Messung von Photoemission mit Spin-Auflösung (Spin-ARPES) verfügt. Dies führt zu der glücklichen Situation, dass wir den vermuteten Ursprung der Spin-Verkippung, also die Rashba-artige Spin-Bahn-Aufspaltung, sehr genau bestimmen können, wahrscheinlich sogar präziser als die Spin-Verkippung selbst“, betont Prof. Oliver Rader, der am HZB die Abteilung „Spin und Topologie in Quantenmaterialien“ leitet.

Weltweit gibt es nur sehr wenige Institutionen, die über Instrumente mit diesen Fähigkeiten verfügen. Die Ergebnisse zeigen, dass Graphen-basierte Heterostrukturen großes Potenzial für die nächste Generation spintronischer Geräte haben.