Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Material der Zukunft: Durchbruch für Informationstechnologie auf Basis von Heusler-Materialien

10.06.2014

Physiker beobachten erstmals Material mit hundertprozentiger Spinpolarisation bei Raumtemperatur – Grundlage für extrem leistungsfähige Spintronik-Bauteile

Es ist ein Durchbruch, auf den Physiker und Chemiker weltweit lange gehofft hatten und der die Informationstechnologie in den nächsten Jahren maßgeblich beeinflussen dürfte: Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es zum ersten Mal gelungen, die hundertprozentige Spinpolarisation einer Heusler-Verbindung direkt zu beobachten.


Prinzip-Darstellung der Spin-aufgelösten Photoemissionsspektroskopie an dünnen

Heusler-Schichten

Abb.: Martin Jourdan, JGU

Heusler-Materialien bestehen aus mehreren metallischen Elementen in einer Gitterstruktur. Sie zählen zu den Kandidaten für neue Werkstoffe, um noch kleinere Datenspeicher mit noch höheren Speicherdichten zu bauen. In den letzten Jahren waren allerdings Zweifel aufgekommen, ob Heusler-Materialien diese Erwartungen tatsächlich erfüllen würden.

Physiker der JGU konnten nun zeigen, dass sich für die Heusler-Verbindung Co2MnSi die erforderlichen elektronischen Eigenschaften nachweisen lassen. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern und Chemikern der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) in Dresden erstellt und in dem Online-Wissenschaftsjournal Nature Communications publiziert.

Die Beobachtungen legen den Grundstein für die künftige Entwicklung außerordentlich leistungsfähiger Bauteile in der Spintronik auf Basis von Heusler-Materialien. Anwendungen ergeben sich zum Beispiel für Festplatten-Leseköpfe oder für nichtflüchtige Speicherelemente.

Elektronen sind die Ladungsträger in Metallen und Halbleitern. Sie besitzen aber nicht nur eine Ladung, die für die konventionelle Elektronik entscheidend ist, sondern auch ein magnetisches Moment, den Spin, vorstellbar als eine Art Eigendrehung des Elektrons um die eigene Achse. Spinbasierte Elektronik, auch Spintronik genannt, wird allgemein als Informationstechnologie der Zukunft angesehen, für deren optimale Leistungsfähigkeit allerdings neuartige Materialien erforderlich sind.

Eine entscheidende Größe ist dabei die Spinpolarisation, das heißt der Grad der parallelen Ausrichtung der am Ladungstransport beteiligten Spins. Das Wunschmaterial sollte eine möglichst hohe Spinpolarisation aufweisen, also möglichst viele Elektronen sollen sich in die gleiche Richtung ausrichten.

Den Mainzer Physikern ist nun der erste direkte experimentelle Nachweis einer nahezu vollständigen Spinpolarisation bei Raumtemperatur für die intermetallische Heusler-Verbindung Co2MnSi gelungen. „Es wird schon lange über diese Materialklasse geforscht und es gibt viele theoretische Hinweise auf die elektronischen Eigenschaften der Heusler-Verbindungen, aber bisher konnte kein einziges Experiment eine hundertprozentige Spinpolarisation bei Raumtemperatur bestätigen“, erklärt PD Dr. Martin Jourdan von der JGU, Erstautor der Studie.

Für sehr tiefe Temperaturen von minus 269 Grad Celsius hatten sich entsprechende Hinweise schon erhärtet. Entscheidend für die spätere praktische Anwendung ist außerdem ein weiterer Befund, den die Wissenschaftler an der Verbindung Co2MnSi – bestehend aus Kobalt, Mangan und Silicium – nachgewiesen haben, nämlich dass die hohe Spinpolarisation an der Oberfläche des Materials auftritt.

Prof. Dr. Claudia Felser, die das Forschungsfeld der halbmetallischen Heusler-Materialien vor 15 Jahren etabliert hat, sieht diese Arbeit als einen lang erhofften Durchbruch an. „Endlich gelang der direkte experimentelle Nachweis der hundertprozentigen Spinpolarisation, ein wichtiger Meilenstein in Richtung neuer Spintronik-Devices“, so Felser, Direktorin am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden.

Der erfolgreiche Nachweis beruht auf einer außerordentlich präzisen Herstellung der Probe. Dazu muss in der Kristallstruktur der Heusler-Verbindung eine perfekte atomare Ordnung erreicht werden. Dieser besonders hohe Ordnungsgrad genau an der Oberfläche des Materials wird in Mainz mithilfe der Dünnschichtpräparation in einer Ultrahochvakuumkammer erzeugt. Die Spinpolarisation wird dann mit Photoelektronenspektroskopie gemessen und konnte in Zusammenarbeit mit Theoretikern der LMU und des MPI-CPfS durch eine besondere Kombination von Volumen und Oberflächeneigenschaften der Verbindung erklärt werden.

„Dies ist nicht nur ein Durchbruch bei der Suche nach neuen Materialien für die Spintronik, sondern auch im Hinblick auf die Kooperation zwischen Theorie und Experiment“, so Jourdan. „Wir konnten zeigen, dass perfekt hergestellte Materialien auch tatsächlich die Eigenschaften besitzen, die theoretisch vorhergesagt werden.“ Heusler-Materialien werden weltweit, insbesondere aber in Japan, Deutschland und den USA beforscht. An der Johannes Gutenberg-Universität bilden sie einen Forschungsschwerpunkt im Rahmen der materialwissenschaftlichen Verbünde MAINZ (Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz) und CINEMA (Center for Innovative and Emerging Materials).

Bei der aktuellen Studie steuerten die LMU-Physikochemiker PD Dr. Jan Minar, apl. Prof. Dr. Jürgen Braun und Prof. Dr. Hubert Ebert das theoretische Rüstzeug bei: „Die spektroskopischen Berechnungen wurden im Rahmen des sogenannten Einstufenmodells durchgeführt“, sagt Minar aus der Gruppe von Prof. Ebert, in der das zugrundeliegende Programm entwickelt wurde. „Eine derartige Kombination aus elektronischer Strukturrechnung und theoretischer Photoemission erlaubt einen direkten Vergleich mit den entsprechenden experimentellen Daten, was wiederum wesentlich zum Verständnis der gemessenen hundertprozentigen Spinpolarisation beiträgt.“

Veröffentlichung:
Martin Jourdan et al.
Direct observation of half-metallicity in the Heusler compound Co2MnSi
Nature Communications, 30. Mai 2014
DOI: 10.1038/ncomms4974

Weitere Informationen:
PD Dr. Martin Jourdan
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23635
Fax +49 6131 39-24076
E-Mail: jourdan@uni-mainz.de
http://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/505.php

Weitere Links:
http://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/
http://www.nature.com/ncomms/2014/140530/ncomms4974/full/ncomms4974.html
http://www.cup.uni-muenchen.de/dept/ch/pc/ebert.php
http://www.cpfs.mpg.de/inorganic_chemistry

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern
16.11.2016 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie