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 Turbolader für den Lithium-Akku
08.06.2018 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Wissenschaftler der BTU stellen neue hoch verschleißbeständige Beschichtungen vor
07.06.2018 | Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Im Focus: Robotik live auf der automatica – Fraunhofer IPK führt Automatisierungslösungen vor

Auf der diesjährigen automatica in München präsentiert das Fraunhofer IPK zwei Technologie-Innovationen aus dem Bereich Robotik „in Aktion“: Ein Agrar-Roboter für die Ernte von Einlegegurken sowie eine Oberkörper-Softorthese zur Unterstützung von Industrie-Arbeitskräften werden erstmals live auf einer Messe vorgeführt.

Roboter für die Gurkenernte

Im Focus: Neutrinos auf der genauesten Waage der Welt

Wie schwer sind Neutrinos? Diese unscheinbare Frage gehört zu den wichtigsten Fragestellungen in der modernen Teilchenphysik und Kosmologie. Der Antwort einen großen Schritt näher bringt uns das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN. Es wurde am Karlsruher Institut für Technologie von einer internationalen Kollaboration in 15-jähriger Bauzeit aufgebaut und beginnt am 11. Juni 2018 mit einer feierlichen Eröffnung seine mehrjährige Messphase.

Die Neutrinowaage KATRIN nimmt den Messbetrieb auf. Nach Hauptspektrometer und Detektoreinheit ist mit der Tritiumquelle auch die letzte der Großkomponenten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

Zweite International Baltic Earth Conference in Dänemark: “The Baltic Sea region in Transition”

08.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Fußball durch die Augen des Computers

14.06.2018 | Informationstechnologie

Massenverlust des Antarktischen Eisschilds hat sich beschleunigt

14.06.2018 | Studien Analysen

Quanten-Übertragung auf Knopfdruck

14.06.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics