Antiferromagnete sind Materialien, in denen die magnetischen Momente benachbarter Atome abwechselnd angeordnet sind, sodass insgesamt kein makroskopischer Magnetismus entsteht. Diese Materialien haben interessante Eigenschaften, die für die Entwicklung spintronischer und elektronischer Geräte von Vorteil sein könnten.
Forscher der Harvard University haben kürzlich einen antiferromagnetischen Diodeneffekt in gleichmäßig geschichtetem MnBi2Te4 beobachtet, einem antiferromagnetischen Material, das durch einen zentrosymmetrischen Kristall gekennzeichnet ist, der keine gerichtete Ladungstrennung aufweist. Der von ihnen beobachtete Effekt könnte genutzt werden, um verschiedene Technologien zu entwickeln, darunter In-Plane-Feldeffekttransistoren und Geräte zur Mikrowellenenergiegewinnung.
Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Naturelektronik.
Der Diodeneffekt, der mittlerweile bei zahlreichen Materialien beobachtet wurde, führt dazu, dass elektrischer Strom innerhalb eines Geräts in eine Richtung fließt. Materialien, die diesen Effekt aufweisen, wurden zur Entwicklung verschiedener Geräte verwendet, darunter Radioempfänger, digitale Schaltkreise, Temperatursensoren und Mikrowellenschaltkreise.
Kürzlich beobachteten einige Forscher einen supraleitenden Diodeneffekt in leitfähigen Materialien mit einer Kristallstruktur ohne Symmetriezentrum, auch bekannt als nicht-zentrosymmetrische polare Leiter. Aufbauend auf ihren Beobachtungen machte sich das Team der Harvard University daran, die Existenz eines ähnlichen Effekts im antiferromagnetischen topologischen Isolator MnBi2Te4 zu untersuchen.
„Nicht-zentrosymmetrische Polarleiter sind intrinsische Dioden, die bei der Entwicklung nichtlinearer Anwendungen von Nutzen sein könnten“, schrieben Anyuan Gao, Shao-Wen Chen und ihre Kollegen in ihrem Artikel. „Solche Systeme wurden kürzlich auf nicht-zentrosymmetrische Supraleiter ausgeweitet, und der supraleitende Diodeneffekt wurde beobachtet. Wir berichten über einen antiferromagnetischen Diodeneffekt in einem zentrosymmetrischen Kristall ohne gerichtete Ladungstrennung.“
Die Forscher stellten Geräte aus gleichmäßig geschichtetem MnBi2Te4 mit zwei verschiedenen Elektrodenkonfigurationen her. Einige dieser Geräte hatten Hall-Bar-Elektroden (d. h. Längselektroden, die Strom leiten, und Querelektroden, die zur Messung des Hall-Effekts verwendet werden), während die anderen radial verteilte Elektroden hatten (d. h. in einem kreisförmigen Muster um einen zentralen Punkt angeordnet).
Die Forscher beobachteten einen antiferromagnetischen Diodeneffekt, der durch nichtlinearen Transport in beiden Arten von Geräten gekennzeichnet war. Anschließend führten sie verschiedene Messungen durch, um zu bestätigen, dass es sich bei dem, was sie beobachtet hatten, tatsächlich um einen antiferromagnetischen Diodeneffekt handelte.
Um die Eigenschaften von gleichmäßig geschichtetem MnBi2Te4 zu untersuchen und den antiferromagnetischen Diodeneffekt aufzudecken, verwendete das Team verschiedene Techniken. Dazu gehörten eine räumlich aufgelöste optische Methode und Techniken zur Erfassung von Messungen der elektrischen Summenfrequenzerzeugung (SFG).
„Wir haben einen großen Transport der zweiten Harmonischen in einem nichtlinearen elektronischen Gerät beobachtet, der durch den kompensierten antiferromagnetischen Zustand von gleichmäßig geschichtetem MnBi2Te4 ermöglicht wurde“, schrieben Gao, Chen und ihre Kollegen.
„Wir zeigen, dass dieser antiferromagnetische Diodeneffekt genutzt werden kann, um In-Plane-Feldeffekttransistoren und Geräte zur Mikrowellenenergiegewinnung zu erzeugen. Wir zeigen auch, dass die Erzeugung elektrischer Summenfrequenzen als Werkzeug zur Erkennung nichtlinearer Reaktionen in Quantenmaterialien verwendet werden kann.“
In ihrem Artikel betonen die Autoren das Potenzial des von ihnen beobachteten antiferromagnetischen Diodeneffekts für die Entwicklung antiferromagnetischer Logikschaltungen, Mikrowellen-Ernter und spintronischer Geräte. Ihre Arbeit könnte bald den Weg für weitere Studien ebnen, die diesen Effekt und seine Verwendung zur Herstellung neuer und leistungsfähiger Geräte untersuchen.
Weitere Informationen:
Anyuan Gao et al, Ein antiferromagnetischer Diodeneffekt in gleichmäßig geschichtetem MnBi2Te4, Naturelektronik (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01219-8.
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