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Nanomagnetismus

Molekulare Magnete

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Molekularer Magnetismus beschäftigt sich mit dem magnetischen Eigenschaften isolierter und verbundener Moleküle. Das wissenschaftliche Interesse an molekularem Magnetismus wird motiviert durch die Notwendigkeit, die fundamentalen Prinzipien, die magnetisches Verhalten bestimmen, genauer zu verstehen. Ausserdem besteht der Bedarf, neuartige magnetische Materialien zu entwickeln, die sich selbst organisieren.

Manche molekularen Magnete besitzen eine hochsymmetrische frustrierte Spinstruktur und sind damit ein ideales Testfeld für die Theorie frustrierter Quantenspinsysteme. Mithilfe polarisierter Neutronenstreuung und inelastischer Neutronenstreuung studieren wir die ungewöhnlichen Spin-Spin-Wechselwirkungen und magnetischen Anregungen in einigen geometrisch frustrierten molekularen Magneten, z.B. Mo72M30 (M=Fe, Cr, V). In einem späteren Schritt sollen die molekularen Magnete als Schicht mit einer regelmäßigen Anordnung auf einem Substrat aufgebracht werden. Solche Systeme mit wechselwirkenden molekularen Magneten sind mögliche Modellsysteme für magnetische Datenspeicherung und Kandidaten für zukünftige Quantencomputer.

Zhendong Fu, Ulrich Rücker

Magnetische Nanopartikel

Nanopartikel können als 'Bausteine' von völlig neuartigen Materialien mit spezifischen physikalischen oder chemischen Eigenschaften verwendet werden. Im Hinblick auf Anwendungen in der Informations- oder Energie-Technologie sind insbesondere magnetische, optische,  oder elektronische Eigenschaften von hohem Interesse. Magnetische Nanopartikel können z.B.  in Datenspeicher-Medien, spintronischen Schaltungen oder für Permanentmagnete Verwendung finden. Plasmonische Nanopartikel werden für die Telekommunikation oder für die Solarzellenforschung diskutiert und Nanopartikel aus Halbleitermaterialien  werden für neuartige elektronische Systeme und die Quanteninformationsverarbeitung vorgeschlagen.

Kombiniert man diese verschiedenen Funktionalitäten innerhalb eines 'Nanopartikel-Kompositsystems' wird es möglich, multi-funktionale Materialien mit völlig neuen Eigenschaften, z.B. mit magneto-plasmonischen oder magneto-elektrischen Eigenschaften herzustellen.  

Nano particles JCNS

Die Abbildung zeigt polarisierte Neutronenstreu-Daten an MnO-Nanopartikeln (A) und FePt-MnO Nanopartikel-Dimeren (B) gemessen am DNS-Instrument (MLZ) der JCNS-Außenstelle in Garching (in Zusammenarbeit mit der AG Prof. W. Tremel, Universität Mainz). Mit Hilfe dieser Methode ist es möglich, den 'nuklearen' (strukturellen) und magnetischen Beitrag der Streuung zu separieren. Somit kann gezielt die magnetische Ordnung innerhalb der Partikel untersucht werden.

Weitere Projekte im Bereich der Nanopartikel umfassen die Untersuchung von selbst-organisierten, regelmäßigen Anordnungen von Nanopartikeln, sogenannten 'Nanopartikel-Superkristallen'. Wir interessieren uns hierbei u.a. für die kollektiven magnetischen Eigenschaften solcher Superkristalle, wie diese gezielt beeinflusst werden können, welche Partikel-Wechselwirkungen eine Rolle spielen und wie wir diese Wechselwirkungen systematisch verändern können. Die magnetischen Korrelationen zwischen den einzelnen Nanopartikeln in einem solchen Superkristall können mit Hilfe von polarisierter Neutronenstreuung unter sehr kleinen Winkeln (GISANS) vermessen werden wie in Teilgrafik (C) zu sehen ist. Das dargestellte Detektorbild zeigt hierbei ein reales GISANS-Ergebnis, das am Instrument MARIA (MLZ) der JCNS-Außenstelle in Garching aufgenommen wurde (in Zusammenarbeit mit Dr. S. Disch, ILL, und AG Prof. L. Bergström, Universität Stockholm, Schweden).

Oleg Petracic

Ordnungsphänomene in Dünnschichtsystemen aus Übergangsmetalloxiden

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Bei der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauteile treten  Grenz-flächeneffekte immer mehr in den Vordergrund. Darüber hinaus lassen sich neue Materialeigenschaften durch Grenzflächen induzieren, die im Volumen-material alleine nicht auftreten. Übergangsmetalloxide eigenen sich dabei hervorragend um neue Phänomene an Grenzfläche zu erzeugen, da sie selbst bereits ein weites Spektrum an Eigenschaften mitbringen. Diese sind durch die hohe Korrelation der Elektronen in diesen Materialen verursacht und reichen von Magnetismus bis zu Piezoelektrizität. An den Schichtgrenzen können gezielt Ordnungen in der Ladungsverteilung und Orbitalorientierung erzeugt und so z. B.  magnetische und elektrische Eigenschaften manipuliert werden. Wir stellen mit Molekularstrahlepitaxie und Hochdrucksputtern hauptsächlich Mehrfachlagen aus verschiedenen Manganaten her.  Dabei sind wir in der Lage dünne Schichten auf eine Einheitszelle genau herzustellen. Dies kann durch die Beobachtung der Intensitätsveränderung einzelner Beugungsreflex des RHEED-Bildes während des Wachstums erreicht werden. Weiter eignen sich besonders Reflektometrie mit polarisierten Neutronen zur Bestimmung des magnetischen Profils von Mehrfachlagen  und Röntgenreflektometrie bzw. -diffraktometrie zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften.

Die Abbildung zeigt die Reflektivität für Röntgenstrahlen an einer 20-fachen Doppellage von SrMnO3/LaMnO3. Im Hintergrund ist ein RHEED-Bild gezeigt, welches während des Wachstums genutzt wird um die Schichtgrenzen zu bestimmen. Unten links ist eine LEED-Aufnahme gezeigt, anhand derer die Atomabstände auf der Oberfläche bestimmt werden können. Oben rechts ist eine Mehrfachschicht aus verschiedenen Perovskiten dargestellt. Darauf sieht man ein AFM-Bild der Oberfläche, das die atomaren Stufen erkennen lässt. 

In Zukunft wollen wir verstärkt die Mehrfachlagen strukturieren, um so den Weg zu neuen funktionalen Bauteilen für Spintronikanwendungen zu ebnen.

Alexander Weber

Tiefenaufgelöste Magnetometrie an neutronenpolarisierenden Superspiegeln

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Polarisierende Superspiegel werden üblicherweise für die Polarisation von kalten Neutronen verwendet. Sie bestehen aus einer Reihe von ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Lagen mit einem Gradient in der Schichtdicke. Die Abbildung zeigt Reflektivität und diffuse Streuung von polarisierten Neutronen mit Polarisationsanalyse, welche während des Remagnetisierungsprozesses an einem remanenten Superspiegel aufgezeichnet wurden. Aus solchen Messungen schließen wir, daß sich die Magnetisierung der untersten Lagen zuerst parallel zum äußeren Feld drehen und daß magnetische Fluktuationen in den Lagen existieren, deren Magnetisierung sich noch nicht gedreht hat. Diese Aussagen werden durch Simulationen bestätigt auf der Basis der distorted-wave Born approximation (DWBA), wobei dynamische Effekte im Rahmen einer Störungsrechnung berücksichtigt sind.

Emmanuel Kentzinger

Grenzflächencharakterisierung von GMR-Systemen

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Die magnetoelektronischen Eigenschaften (Zwischenschichtaustauschkopplung, Riesenmagnetowiderstandseffekt) von dünnen Schichten hängen sehr stark von ihrer Grenzflächenmorphologie ab. Eine zerstörungsfreie Charakterisierung kann mit Hilfe von Röntgenstreuung unter streifendem Einfall durchgeführt werden. Der Formfaktorkontrast zwischen den Schichten kann bedeutend vergrößert werden mit Hilfe von anomaler Streuung an einer Synchrotronstrahlungsquelle. Die Abbildung zeigt diffuse Streuung von einem Fe/Cr/Fe-Dreischichtsystem für zwei Röntgenenergien, eine für Nullkontrast und eine für Maximalkontrast zwischen Fe und Cr. Dies führt zu sehr unterschiedlichen Modulationen der gemessenen Intensitäten.

Emmanuel Kentzinger

Übergitter von Selten-Erd-Metallen

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Wir studieren die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von künstlichen Übergittern aus Elementen der seltenen Erden. Ziel dieser Untersuchungen ist ein verbessertes Verständnis des Wechselspiels aus Zwischenschichtkopplung, Anisotropie und elastischen Energien, die mit der gewählten Struktur eingestellt werden können. Die subtile Balance zwischen diesen Energiebeiträgen führt zu einer Vielfalt an magnetischen Phasen, wenn die Zusammensetzung der Übergitter verändert wird. Der Mechanismus der Zwischenschichtkopplung und Proximity-Effekte werden mit resonanter Austauschstreuung aufgeklärt.

Jörg Voigt

Lateral strukturierte magnetische Schichtsysteme

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Das Magnetisierungsverhalten und die Bildung magnetischer Domänen in magnetischen Schichtsystemen werden im Wesentlichen durch die Kristallanisotropie der ferromagnetischen Schichten, die Zwischenschichtkopplung, die Formanisotropie der dünnen Filme (Dipolkräfte) und das äußere Magnetfeld bestimmt.
Die Strukturierung einiger Lagen mit Elektronenstrahl- oder Laser-Interferenzlithographie (z.B. in Streifen mit 500 nm Breite) induziert eine zusätzliche Formanisotropie in die strukturierten Schichten und gibt damit die Möglichkeit, die Domänenbildung zu beeinflussen. Wir benutzen off-spekuläre polarisierte Neutronenstreuung unter streifendem Einfall, um die Wechselwirkung zwischen den Streifen durch einerseits die Zwischenschichtkopplung an unstrukturierte Schichten und andererseits Dipolkräfte zu untersuchen und Informationen über die magnetische Domänenformation in den einzelnen Schichten des nanostrukturierten Schichtsystems zu erhalten.

Ulrich Rücker


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