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Neutronenforschung an oxidbasierten synthetischen Antiferromagneten:
Weg zu dreidimensionalen Speicherelementen mit hoher Datendichte

Jülich, 19. Mai 2021 – Oxidische antiferromagnetische Materialien versprechen Fortschritte in der Informationstechnologie und der Nanomedizin. Im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien sind sie unempfindlich gegenüber störenden äußeren Magnetfeldern und könnten Daten einmal dauerhafter und verlässlicher speichern, als es bisher mit magnetischen Materialien möglich ist. Oxidische Systeme sind dabei interessanter als metallische, weil sie sich leichter schalten lassen. Jülicher Forscher haben nun gemeinsam mit internationalen Kollegen den Schaltmechanismus eines oxidbasierten synthetischen Antiferromagneten aufgeklärt. Zudem zeigten sie, wie das untersuchte Material vertikalen Datentransfer ermöglichen und so dreidimensionale Speicherelemente mit hoher Datendichte möglich machen könnte. Die Forscher führten ihre Untersuchungen u.a. mithilfe des Neutronen-Reflektometers MARIA durch, das das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching betreibt.

Ein Antiferromagnet weist im Gegensatz zu einem Ferromagneten kein von außen messbares Magnetfeld auf. Trotzdem handelt es sich nicht um ein völlig unmagnetisches Material. Die Spins der Elektronen sind jedoch nicht wie bei einem Ferromagneten parallel, sondern entgegengesetzt ausgerichtet. Die magnetischen Momente heben sich daher gegenseitig auf. Den nun untersuchten synthetisch erzeugten Antiferromagneten hatten Teile des Teams bereits 2017 in einer wissenschaftlichen Publikation vorgestellt und dabei gezeigt, dass sich das Material durch ein äußeres Magnetfeld schichtweise magnetisieren und umpolen lässt – und so kontrolliert zwischen verschiedenen magnetischen Zuständen hin und her schalten lässt. Nur wenige Nanometer dicke ferromagnetische Manganat-Schichten sind darin über ultradünne, isolierende Titanoxid-Schichten miteinander antiferromagnetisch gekoppelt. Die Polarisationsrichtung der Spins kehrt sich um, wenn sie von der einen auf die andere Schicht übertragen wird.

Nun klärten die Forscher vom JCNS und ihre Kollegen aus China, Frankreich, der Schweiz und Großbritannien, welcher Mechanismus dem Schaltprozess zu Grunde liegt. Mit Hilfe der Methode der polarisierten Neutronenreflektometrie gelang es ihnen, die magnetische Konfiguration des Schichtsystems mit mikroskopischer Auflösung zu analysieren. Hierbei fanden sie heraus, dass magnetische Solitonen – Grenzbereiche zwischen zwei antiferromagnetisch geordneten Zonen, die in vertikaler Richtung beweglich sind - eine wesentliche Rolle in dem Prozess spielen. Diese Solitonwellen ermöglichen zudem, Daten zwischen den verschiedenen Schichten des Systems zu transportieren. Die Ergebnisse zeigen damit einen Weg zu dreidimensionalen Speicherelementen mit hoher Datendichte.

Die Grafik zeigt schichtaufgelöst einzelne Schritte der magnetischen Umkehrprozesse in dem untersuchten oxidischen Antiferromagneten. In der Mitte ist die dazu gehörende Hysteresekurve zu sehen. Die Grafik zeigt schichtaufgelöst einzelne Schritte der magnetischen Umkehrprozesse in dem untersuchten oxidischen Antiferromagneten. In der Mitte ist die dazu gehörende Hysteresekurve zu sehen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich und University of Science and Technology of China

Originalveröffentlichungen:
Soliton-Mediated Magnetic Reversal in an All-Oxide-Based Synthetic Antiferromagnetic Superlattice;
Kexuan Zhang, Kirill Zhernenkov, Thomas Saerbeck, Artur Glavic, Lili Qu, Christy J. Kinane, Andrew J. Caruana, Enda Hua, Guanyin Gao, Feng Jin, Binghui Ge, Feng Cheng, Sabine Pütter, Alexandros Koutsioubas, Stefan Mattauch, Thomas Brueckel, Yixi Su, Lingfei Wang, and Wenbin Wu;
ACS Applied Materials & Interfaces Article ASAP, DOI: 10.1021/acsami.1c02506

All-oxide-based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal;
Binbin Chen, Haoran Xu, Chao Ma, Stefan Mattauch, Da Lan, Feng Jin, Zhuang Guo, Siyuan Wan, Pingfan Chen, Guanyin Gao, Feng Chen, Yixi Su, Wenbin Wu;
Science (published 14 July 2017), DOI: 10.1126/science.aak9717

Weitere Informationen:

Fachmeldung "Science: Mit Neutronen zum schaltbaren Antiferromagneten" des Forschungszentrums Jülich vom 14. Juli 2017

Informationen zum Magnetischen Neutronenreflektometer für große Einfallswinkel MARIA