Jedoch hat sich mittlerweile gezeigt, dass antiferromagnetische Materialien vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in der Magnetoelektronik darstellen. In diesem Feld nutzt man elektrische Ströme, um magnetische Eigenschaften von Materialien zu manipulieren und auszulesen. Aufgrund dieses Potentials sind Antiferromagnete in den Fokus der aktuellen Forschung gerückt. Gleichzeitig sind komplexe magnetische Netzwerke interessante Kandidaten für neuartige, unkonventionelle Computer, da sie mehrere unterschiedliche einzigartige Transporteigenschaften aufweisen, darunter starke Wechselwirkungen von Strömen mit drei-dimensionalen magnetischen Strukturen, in denen die atomaren Stabmagnete in alle Raumrichtungen zeigen können.
Das Team aus Forschenden der Universitäten Hamburg und Kiel untersuchte ein Modellsystem für einen Antiferromagneten an einer Grenzfläche: eine nur zwei atomare Lagen dicke Schicht aus Manganatomen, die auf der Oberfläche eines Iridiumkristalls gewachsen wurde. Die Hamburger Forschenden nutzten zur Abbildung der magnetischen Ordnung in diesem Mangan-Film die spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie – eine Mikroskopietechnik, die es erlaubt, magnetische Strukturen bis auf die atomare Skala aufzulösen.
„In den Rastertunnelmikroskopie Bildern tauchte ein komplexes magnetisches Netzwerk aus Domänenwänden zwischen antiferromagnetisch geordneten Bereichen auf. Wir konnten sehen, dass es durch die implantierten Argon-Blasen erzeugt wurde“, erläutert die Projektleiterin Privatdozentin Dr. Kirsten von Bergmann vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg: „An den Kreuzungspunkten von drei Domänenwänden haben wir zum einen eine Händigkeit der Struktur gefunden, zum anderen haben wir herausgefunden, dass die „atomaren Stabmagnete“ hier in die Richtungen der Ecken eines Tetraeders zeigen, sie also einen Winkel von ca. 109,47° zueinander haben.“ (siehe Abb.1).
Mittels quantenmechanischen ab-initio Rechnungen, die auf Supercomputern des Verbundes für Nationales Hochleistungsrechnen (NHR) durchgeführt wurden, konnten Forschende der Universität Kiel zeigen, dass es in den Mangan-Schichten aufgrund von magnetischen Austauschkräften zu einer lateralen Verschiebung der obersten Lage kommt. „Dies führt zu einer erheblichen Spannung an Stellen, an denen unterschiedliche Ausrichtungen des magnetischen Zustands aufeinandertreffen und kann die beobachtete Händigkeit an den Kreuzungspunkten erklären,“ wie Professor Dr. Stefan Heinze von der CAU Kiel ausführt. Außerdem konnte von den Kieler Forschenden erklärt werden, wie die drei-dimensionale magnetische Struktur an den Kreuzungspunkten zustande kommt und wie es zu der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Lagen kommt (Abb. 2).
Die Bildung von Domänenwandverzweigungen an implantierten Argon-Blasen kann als reziproker Effekt betrachtet werden, bei dem die induzierte lokale Spannung eine bestimmte Ausrichtung der magnetisch bedingten Scherung des magnetischen Films auswählt. Die ab-initio Rechnungen zeigen, dass gleichzeitig die nicht koplanare magnetische Ordnung an den entstehenden Domänenwandkreuzungen topologische Eigenschaften besitzt. Diese Arbeit liefert einen proof-of-principle, der zeigt, wie die enge Beziehung zwischen Struktur und Magnetismus genutzt werden kann, um komplexe antiferromagnetische Netzwerke zu erzeugen.
wissenschaftliche Ansprechpartner: PD Dr. Kirsten von Bergmann Universität Hamburg Fachbereich Physik Tel.: +49 40 42838-6295 E-Mail:
Prof. Dr. Stefan Heinze Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Institut für Theoretische Physik und AstrophysikTel.: +49 431-880-4127 E-Mail:
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