Neuer Spin-Filter im atomaren Größenbereich

Aus der Informationstechnik sind Speicherzellen, in denen die Magnetisierung durch sogenannte Spinströme geschaltet wird, nicht wegzudenken. Diese Technologie ermöglicht es beispielsweise in Smartwatches, magnetische Informationen besonders schnell und mit höchster Dichte zu schreiben. Um zwischen zwei magnetischen Zuständen, die als Bits fungieren, hin- und herschalten zu können, ist eine gezielte Kontrolle der Spinströme auf kleinstem Raum erforderlich. Dr. Maciej Bazarnik und Prof. Dr. Anika Schlenhoff vom Physikalischen Institut der Universität Münster haben nun erstmals gezeigt, dass ein gezieltes Einstellen der Spinströme auch auf atomarer Skala möglich ist. Die Studie wurde jüngst in der Zeitschrift „ACS Nano“ veröffentlicht.

Sie nutzten einen experimentellen Modell-Aufbau, der auf atomarer Skala magnetische Tunnelkontakte nachbildet, die in heutigen Speicherzellen verbaut sind. Sie beruhen auf dem sogenannten resonanten Tunneln, bei dem Elektronen zwei Barrieren hintereinander überwinden. Dass in solchen resonanten Tunnelkontakten mikroskopische Prozesse stattfinden, die eine präzise Kontrolle der Spinströme ermöglichen, war zwar theoretisch vorhergesagt worden. Es fehlte bislang jedoch eine geeignete Methode mit höchster Auflösung, um den experimentellen Nachweis zu erbringen. Dieser Nachweis gelang dem Duo nun durch die Kombination der Methode des resonanten Tunnelns mit spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie, durch die sich magnetische Informationen mikroskopisch auslesen und hin und her schalten lässt.

Das Team zeigte auch, dass sich die untersuchten Nanomagneten über Änderungen der Spannung sowie durch die Position, an der die Spinströme injiziert werden, gezielt hin und her schalten lassen. „Unsere Ergebnisse sind für die weitere Miniaturisierung vorhandener Speichertechnologien relevant“, betont Anika Schlenhoff. „Unser experimenteller Ansatz ist außerdem von Bedeutung, um neue magnetische Materialien als potenzielle Kandidaten für neue Speichermedien zu erforschen“, ergänzt Maciej Bazarnik.

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen. Beim Tunneln gehen Elektronen über eine isolierende Barriere von einer magnetischen Schicht in eine andere über. Das resonante Tunneln ist eine Spezialform. Dabei liegt innerhalb der isolierenden Schicht eine leitende Schicht, die eine Art Filtereffekt hat und nur Elektronen mit bestimmter Energie und bestimmtem Spin tunneln lässt. Maciej Bazarnik und Anika Schlenhoff ersetzten die Schichten zwischen den beiden Magneten durch ein Vakuum, wodurch der Filtereffekt besonders gleichmäßig funktionierte. Indem sie die äußeren Magneten außerdem durch einen Nanomagneten und eine atomar scharfe magnetischen Mikroskop-Spitze ersetzten, gelang ihnen die mikroskopisch genauen Messungen sowie die präzise Steuerung.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützte die Arbeit finanziell.

 

Originalveröffentlichung

M. Bazarnik, A. Schlenhoff (2026): Spin Filtering on Demand via Localized States in an Atomic-Scale Resonant Tunneling Magnetic Tunnel Junction. ACS Nano; DOI: 10.1021/acsnano.5c21248

Links zu dieser Meldung

• Originalveröffentlichung in ACS Nano
• AG Schlenhoff am Physikalischen Institut