Untersuchungen der Spintronik haben ergeben, dass der magnetische Zustand bestimmter Materialien durch oberflächeninduzierte Spannungen geändert werden kann

Die Elektronik basiert auf dem Transport elektrischer Ladungen von einem Ort zum anderen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung bewegen sich Elektronen, Strom fließt und Signale werden übertragen. Es gibt jedoch auch eine andere Möglichkeit, elektronische Ströme und Signale zu manipulieren: die Nutzung der Eigenschaften des Spins – des intrinsischen magnetischen Moments des Elektrons. Dies wird als „Spintronik“ bezeichnet und ist zu einem immer wichtigeren Bereich in der modernen Elektronikforschung geworden.

Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung der TU Wien und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften ist nun ein wichtiger Durchbruch gelungen. Sie haben es geschafft, die Spins in einem antiferromagnetischen Material durch Oberflächenspannung umzuschalten. Dies könnte zu einer wichtigen neuen Forschungslinie im Bereich der elektronischen Technologien führen. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

„Es gibt verschiedene Arten von Magnetismus“, erklärt Sergii Khmelevskyi vom Vienna Scientific Cluster Research Center der TU Wien. „Der bekannteste ist der Ferromagnetismus. Er entsteht, wenn die Atomspins in einem Material alle parallel ausgerichtet sind. Es gibt aber auch das Gegenteil, den Antiferromagnetismus. In einem antiferromagnetischen Material haben benachbarte Atome immer entgegengesetzte Spins.“ Ihre Wirkungen heben sich daher gegenseitig auf und es ist keine magnetische Kraft von außen erkennbar.

„Im Jahr 2010 kamen Wissenschaftler der TU Wien und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften jedoch auf die Idee, dass solche antiferromagnetischen Materialien vielversprechende Eigenschaften für spintronische Anwendungen haben“, sagt Khmelevskyi. Dies war der Beginn des neuen Forschungsgebiets der „antiferromagnetischen Spintronik“, das sich seitdem rasant weiterentwickelte.

Intensive Arbeiten wurden kürzlich von der TU Wien, dem Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Ecole Polytechnique (Paris) durchgeführt. Die größte Herausforderung bestand darin, dass die Spins in antiferromagnetischen Materialien schwer zu manipulieren sind – es ist jedoch entscheidend, einen Weg zu finden, sie zuverlässig und präzise zu manipulieren. Erst wenn magnetische Zustände gezielt von einem Zustand in einen anderen geschaltet werden können, ist die Herstellung von Computerspeicherzellen (z. B. MRAM) möglich.

Magnetische Frustration: Kleine Effekte machen den Unterschied

Die Manipulation von Ferromagneten ist einfach: Es reicht aus, einfach ein äußeres Magnetfeld anzulegen, um ihre inneren magnetischen Eigenschaften zu beeinflussen. Mit Antiferromagneten ist das nicht möglich – aber es gibt einen Ausweg: Sie können mit Oberflächenspannungen arbeiten.

Dafür sind allerdings ganz bestimmte Kristallarten erforderlich. Abhängig von der Geometrie und der Anordnung der Atome im Kristall können verschiedene antiferromagnetische Spinanordnungen möglich sein. Der Kristall nimmt den Zustand mit der niedrigsten Energie ein. Es kann jedoch vorkommen, dass mehrere unterschiedliche Spinordnungen die gleiche Energie haben. Dieses Phänomen wird „magnetische Frustration“ genannt. „Dann können winzige Wechselwirkungen, die sonst keine Rolle spielen würden, darüber entscheiden, welchen magnetischen Zustand der Kristall annimmt“, sagt Khmelevskyi.

Experimente mit Urandioxid haben gezeigt, dass durch mechanische Belastung das Kristallgitter ein wenig komprimiert werden kann, was ausreicht, um die magnetische Ordnung des Materials umzuschalten.

„Wir haben nun gezeigt, dass Antiferromagnete tatsächlich geschaltet werden können, indem man die Eigenschaften der magnetischen Frustration nutzt, die in vielen bekannten Materialien vorhanden ist“, sagt Khmelevskyi. „Das öffnet die Tür zu vielen spannenden Weiterentwicklungen in Richtung funktionaler antiferromagnetischer Spintronik.“