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Informationstechnologie: Neuer Effekt mit großer Reichweite

Forscher haben eine neuartige Wechselwirkung gefunden, über die Elektronenspins in einem Material miteinander agieren. Der Effekt ist über vergleichsweise lange Distanzen aktiv und könnte einmal eine wichtige Rolle für Entwicklungen in der Informationstechnologie spielen. Es handelt sich um eine sogenannte „chirale Wechselwirkung“, die in magnetischen Materialien sehr selten vorkommt. Im Interview spricht Dr. Jan-Philipp Hanke vom Forschungszentrum Jülich über das Phänomen, an dessen Entdeckung Wissenschaftler aus Deutschland, den Niederlanden und Südkorea beteiligt waren.

Dr. Jan-Philipp Hanke Dr. Jan-Philipp Hanke vom Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich (PGI-1/IAS-1).
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer

Was kann man sich unter einer „chiralen Wechselwirkung“ vorstellen?

Den Begriff „Chiralität“ kann man auch mit „Händigkeit“ übersetzen. Dieses Konzept beschreibt Objekte, die nicht identisch zu ihrem eigenen Spiegelbild sind. Das kann man auch direkt an den eigenen Händen nachvollziehen: Die rechte Hand ist das Spiegelbild der linken, aber man kann die beiden nicht so aufeinanderlegen, dass sie deckungsgleich sind.

Das Interessante ist, dass chirale Objekte durchaus sehr verschiedene Eigenschaften haben können. Ein rechtshändiges Molekül kann Orangenduft in der Nase verursachen, wohingegen das linkshändige, das von der Summenformel her genau gleich ist, den Geruch von Terpentin erzeugt. Links- und rechtshändige Objekte können also unterschiedlich vom Umfeld wahrgenommen und auch unterschiedlich stark beeinflusst werden. Das läuft dann unter dem Namen „chirale Wechselwirkung“.

Wo tritt der Effekt auf, den Sie jetzt entdeckt haben?

Wir haben uns speziell mit einer chiralen Wechselwirkung in magnetischen Materialen beschäftigt, in denen diese Art der Wechselwirkung etwas sehr Seltenes ist. Dabei geht es um Materialien, die derzeit viel diskutiert werden: sogenannte Heterostrukturen, die aus einer Abfolge von dünnen magnetischen und nichtmagnetischen Lagen bestehen. Im Endeffekt führt diese neue Wechselwirkung dazu, dass sich bestimmte magnetische Strukturen ausbilden, die eine festgelegte Chiralität haben. Man findet also entweder nur rechtshändige oder nur linkshändige Strukturen.

Welchen praktischen Nutzen hat der Effekt?

Magnetische Materialien sind die Grundlage für aktuelle und sicher auch für zukünftige Technologien zum Verarbeiten und Speichern von Informationen. Überall da, wo größere Mengen an Informationen gespeichert oder abgerufen werden, nutzen wir Effekte, die auf magnetischen Materialien beruhen, zum Beispiel wenn wir Videos streamen oder Bilder abspeichern. Wenn wir die dafür zuständigen Bauteile weiter optimieren wollen, müssen wir verstehen, wie das Zusammenspiel der kleinsten Elemente, den sogenannten Elektronenspins, funktioniert.

Wie könnte das in diesem Fall konkret aussehen?

Chirale magnetische Strukturen, die aus chiralen Wechselwirkungen entstehen, sind aus verschiedenen Gründen sehr interessant, wenn es um das Speichern von Informationen geht. Zum Beispiel, weil sie sehr klein und damit energie- und platzsparend sein können.

Bis jetzt war aber nur eine chirale Wechselwirkung in Magneten bekannt, die eine sehr kurze Reichweite hat und daher nur Elektronenspins beeinflusst, die eng benachbart sind. Im Prinzip könnte man damit schon entsprechende Bauteile bauen, die zweidimensional arbeiten. Die neue Wechselwirkung, die wir gefunden haben, ermöglicht es nun, Elektronenspins über lange Distanzen zu koppeln und Spins in weiter entfernten Lagen zu beeinflussen. Das ist ganz entscheidend, um auch in der dritten Dimension Kontrolle über diese chiralen Objekte zu haben. Und weil jedes Bauteil ohnehin dreidimensional ist, kann man es so in allen drei Dimensionen viel effizienter nutzen.

Ist der Effekt auch wissenschaftlich interessant?

Definitiv. Wir haben damit gewissermaßen ein bisher noch fehlendes Puzzlestück gefunden. In Magneten sind verschiedene Wechselwirkungen bekannt, die über kurze oder über lange Distanzen aktiv sind. Fast alle beeinflussen jedoch rechts- und linkshändige Objekte exakt gleich. Ein Beispiel ist Eisen. Das Zusammenspiel der Elektronenspins hat darin in der Regel nur eine kurze Reichweite und führt dazu, dass sich alle Spins in die gleiche Richtung ausrichten. Dabei spricht man auch von Ferromagnetismus. Ein anderer Effekt, der aufgrund einer Wechselwirkung mit langer Reichweite entsteht, ist der Riesenmagnetowiderstand, der in der modernen Speichertechnologie bis heute eine wichtige Rolle spielt.

Chirale Wechselwirkungen sind dagegen viel seltener. In Magneten war vorher nur eine bekannt, die eine sehr kurze Reichweite hat. Die chirale Wechselwirkung, die wir entdeckt haben, ist damit die erste, die über längere Distanzen reicht.

Was gab den Anstoß für die Entdeckung?

Der Ausgangspunkt war ein Experiment von Kollegen um Prof. Dr. Matthias Kläui an der Universität Mainz. Die Zusammenarbeit wurde unter anderem dadurch begünstigt, dass unser Jülicher Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. Yuriy Mokrousov ebenfalls in Mainz tätig ist.

Bei diesem Experiment an magentischen Heterostrukturen konnte man sehen, dass die beiden voneinander getrennten magnetischen Lagen keine parallele oder antiparallele Ausrichtung zueinander haben, wie es normalerweise der Fall ist. Stattdessen gab es immer eine leichte Verkippung. Wir haben als Theoretiker dann versucht, dieses Experiment mit Modellen zu verstehen. Dazu haben wir unter anderem Computersimulationen auf dem Supercomputer JURECA hier am Forschungszentrum durchgeführt. Dadurch konnten wir schließlich nachvollziehen, dass beobachtete Verkippung die Signatur von einer chiralen Wechselwirkung mit langer Reichweite ist.

Wie geht es jetzt weiter?

Bei dieser chiralen Wechselwirkung stehen wir noch ganz am Anfang. Die nächsten Schritte bestehen jetzt darin, die Materialien zu optimieren und diesen Effekt immer größer werden zu lassen, bis man sagen kann: Dieser Effekt ist bereit, sodass er wirklich in die Industrie gebracht werden kann.

Weiterführende Informationen:

Fachmeldung „Konzert der magnetischen Momente“ vom 13.06.2019
Peter Grünberg Institut, Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Yuriy Mokrousov
Peter Grünberg Institut – Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel.: +49 2461 61-4434
E-Mail: y.mokrousov@fz-juelich.de

Dr. Jan-Philipp Hanke
Peter Grünberg Institut – Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel.: +49 2461 61-6651
E-Mail: j.hanke@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Presserereferent, Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de