Stromsignal hinterlässt in Manganitkristall magnetische Spur

Optische und kristallographische Experimente belegen erstmals, dass man magnetische Signale durch elektrische Felder erzeugen kann. Der Nachweis des magneto-elektrischen Effekts eröffnet interessante Perspektiven für Speichermedien der Informationstechnik.

Millionenfach dienen magnetische Muster auf Computerfestplatten zur Speicherung von Daten. Die magnetischen Informationscodes werden durch externe Magnetfelder geschrieben, die bei Festplatten in schneller Folge von sehr leistungsfähig miniaturisierten Schreib-Leseköpfen erzeugt werden. Dass es auch möglich ist, nachweisbare und bleibende magnetische Spuren in speziellen Kristallen durch reine Stromsignale zu erzeugen, konnte jetzt erstmals von Wissenschaftlern der Universität Tübingen und der Berliner Forschungszentren Max-Born-Institut und Hahn-Meitner-Institut nachgewiesen werden. Weil sich hierdurch neue Ansätze für die Datenspeicherung durch magnetoelektrische Effekte eröffnen, ist der Gegenstand der Untersuchung für die Informations-Technologie von großem Interesse.

Für die jetzt veröffentlichten Experimente („Magnetic phase control by an electric field“, Nature, 29. 7. 2004, 430 / 541-544) wurden Manganitkristalle (HoMnO3) mit hexagonaler Atomstruktur unter Stickstoffkühlung untersucht. In laseroptischen Experimenten konnte dabei der Einfluss eines elektrischen Feldes auf die magnetische Ordnung eindeutig nachgewiesen werden. Weiterführende Neutronen-Streuexperimente in Berlin zeigten, dass die elektrischen Felder Änderungen der Abstände von Atomen bewirken und so zur Ausbildung bleibender ferromagnetischer Signale führen.

Der Einfluss des elektrischen Feldes auf die magnetische Ordnung zeigt sich in optischen Messungen durch die Erzeugung einer „optischen zweiten Harmonischen“, mit der man die Verdopplung der Frequenz einer Lichtwelle in einem Kristall bezeichnet. Zudem wurde eine für ferromagnetisches Schalten typische Änderung der Schwingungsrichtung von Licht beim Anlegen des elektrischen Feldes beobachtet (Thomas Lottermoser, Manfred Fiebig Max-Born-Institut, Berlin).

Für die kristallographischen Streuexperimente mit Neutronen wurde ein Diffraktometer am Forschungsrektor im Hahn-Meitner-Institut Berlin eingesetzt (Thomas Lonkai und Dieter Hohlwein). Wie die mit hohem Aufwand und großer Exaktheit durchgeführten Messungen zeigten, verursacht die Wechselwirkung zwischen elektrischem Feld und magnetischer Ordnung feldabhängige Änderungen im Kristallgitter mit Auswirkung auf die magnetischen Austauschpfade, also feldabhängigen Änderungen der Atom-Atomabstände der magnetischen Ionen innerhalb des Kristalls. Zum Nachweis dieser mikroskopischen Effekte wurden an der Universität Tübingen neuartige Auswertungsstrategien entwickelt (Thomas Lonkai, Uwe Amann und Jörg Ihringer).

Seit mehr als zwei Jahrzehnten arbeiten das Berliner Zentrum für Neutronenstreuung BENSC im Hahn-Meitner-Institut und die Universität Tübingen erfolgreich zusammen. Im Rahmen eines Kooperationsvertrages betreibt Tübingen, anfangs unter der Leitung von Wolfram Prandl, derzeit unter der Leitung von Jörg Ihringer, in Berlin das weltweit einzigartige Flat-cone Diffraktometer E2, und stellt ebenfalls die Experimentverantwortlichen – vom Erbauer des Geräts, Dieter Hohlwein bis zu den jetzigen Experimentverantwortlichen Jens-Uwe Hoffmann und Thomas Lonkai. Das Flat-cone Diffraktometer zeichnet sich unter anderem durch außerordentlich niedrige Untergrundsignale und eine exzellente Neutronenausbeute aus. Für die Zukunft ist ein Ausbau mit Flächendetektoren geplant, verbunden mit einen neue Generation der Datenauswertung, welche auch Analysen sehr komplizierter monokristalliner Strukturen ermöglicht. Projektmittel hierfür wurden jüngst vom Bundesministerium für Bildung und Forschung bewilligt.