Tracing the Origins of Magnetic Phenomena

Spin-dependent electronic structure of nano-sized magnets and low-dimensional systems

Magnetische Phänomene spielen in weiten Bereichen der Informationstechnologie eine bedeutende Rolle. Magnetische Schichten dienen als Speichermedien, Leseköpfe auf der Basis des Riesenmagnetowiderstands finden sich in Festplatten handelsüblicher PCs und Laptops. Die Forderung nach immer kleineren Speichereinheiten und immer schnelleren Schreib- und Lesemethoden führt in die Welt der Nano- und der Ultrakurzzeitphysik. Der Wunsch, neben der Ladung auch den Spin des Elektrons als Informationsträger zu nutzen, erfordert Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften hinsichtlich der spinabhängigen elektronischen Struktur.

Unsere Arbeitsgruppe ist auf das Gebiet der spinaufgelösten Elektronenspektroskopien spezialisiert. Wir sind magnetischen Phänomenen auf der Spur, um ein mikroskopisches Bild der makroskopischen magnetischen Eigenschaften zu entwickeln und damit neue Anwendungsmöglichkeiten zu eröffnen.

Fälle und Indizien

Soll der Elektronenspin als Informationsträger genutzt werden, werden Materialien gebraucht, die möglichst hochpolarisierte Ströme in andere Materialien des Bauteils injizieren können. Eine geeignete elektronische Struktur bieten beispielsweise halbmetallische Ferromagnete, die als Leitungselektronen nur Elektronen einer Spinsorte zur Verfügung haben. Im Hinblick auf Spintronik-Anwendungen stehen Grenzflächen im Zentrum der Untersuchungen, weil die Spinpolarisation bei der Injektion möglichst erhalten bleiben soll. Experimente zeigen, dass eine gezielte Präparation die Spinpolarisation an der Grenzfläche beeinflusst.

Schema eines Spintransistors nach einer Idee von Datta und Das:

Spintransistor

Ein weiteres aktuelles Forschungsthema ist das mikroskopische Verständnis der oszillatorischen magnetischen Zwischenschichtkopplung, die beispielsweise für künstliche Antiferromagneten in Schichtstrukturen von Festplattenleseköpfen genutzt wird.

Gmr Sensor
(Künstlicher Antiferromagnet eingesetzt als Pinning-Lage in GMR Sensoren; giant magnetoresistance = Riesenmagnetowiderstand)

Hierzu muss die spinabhängige elektronische Struktur 3- bis 0-dimensionaler magnetischer Systeme experimentell bestimmt und verstanden werden. Es zeigt sich, dass „eingesperrte“ Elektronen in Quantentrogzuständen die magnetische Kopplung vermitteln.

Quantumwell
Threetemp

Die Magnetisierungsdynamik spielt beim Schreiben und Lesen von Daten eine entscheidende Rolle. Experimente mit Femtosekundenauflösung dienen dazu, das Wechselspiel von Spin-, Gitter- und Elektronensystem in Ferromagneten im Gleichgewicht und im Nichtgleichgewicht zu verstehen. Es gibt Hinweise, dass ausgezeichnete Punkte der Bandstruktur („Hot Spots“), bei denen die Spin-Bahn-Wechselwirkung zu Veränderungen führt, zum Verständnis ultraschneller Entmagnetisierungsprozesse wichtig sind.

Untersuchungsmethoden

Messungen mit spinpolarisierten Elektronen erlauben einen direkten experimentellen Zugang zur spinabhängigen elektronischen Struktur magnetischer Systeme. Hierzu werden entweder spinpolarisierte Elektronen als Projektil benutzt oder die Spinpolarisation von der Probe emittierter Elektronen detektiert. Spinaufgelöste direkte und inverse Photoemission bieten Information über besetzte und unbesetzte Zustände. Zeitaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission ermöglicht zusätzlich Messungen in der Zeitdomäne (im Femtosekundenbereich). Methoden zur Präparation und Charakterisierung der Proben hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, kristallografischer Ordnung und magnetischer Eigenschaften komplettieren das Spektrum der in der Arbeitsgruppe vorhandenen Analytik.

Bei unseren Forschungen und Experimenten arbeiten wir eng mit anderen Forschergruppen, zum Beispiel aus der Freien Universität Berlin und der Universität im japanischen Hiroshima zusammen. Finanziert werden die umfangreichen Arbeiten unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.