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Bananenflanken in der Quantenwelt

17.12.2010
Physiker erforschen, wie kleine elektrische Ströme magnetische Strukturen kontrollieren können und nutzen dabei magnetische Nanowirbel

Einer Forschergruppe aus Köln und München ist ein wichtiger Schritt in der Grundlagenforschung auf dem Gebiet „Spintronics“ gelungen. Spintronics beschäftigt sich mit der Frage, wie man den „Spin“, d.h. die magnetische Eigenschaft der Elektronen, technologisch nutzbar machen kann.

Die Physiker unter der Leitung von Professor Achim Rosch von der Universität zu Köln und Professor Christian Pfleiderer von der TU München haben in Mangansilizium einen sehr effizienten Kopplungsmechanismus zwischen elektrischen Strömen und magnetischen Strukturen entdeckt. In ihrem Experiment verwendeten die Physiker Ströme, die hunderttausendmal kleiner sind als die bisher bei solchen Experimenten verwendeten. Die Wissenschaftler haben die Ergebnisse ihrer Forschung im amerikanischen Magazin Science unter dem Titel Spin transfer torques in MnSi at ultra-low current densities veröffentlicht.

Bereits im Februar letzten Jahres (Science 323, S. 915 (2009)) entdeckten die Physiker aus Köln und München in einem Mangansiliziumkristall eine vorher noch nie gesehene magnetische Struktur: In einem Skyrmionkristall bildet die Magnetisierung Wirbelschläuche, ähnlich den Luftwirbeln eines Tornados. Diese nur wenige Nanometer großen Wirbel ordnen sich zu einem regelmäßigen Gitter an. In der jetzt vorgestellten Arbeit zeigten sie , dass sich diese magnetischen Wirbel besonders einfach durch elektrische Ströme manipulieren lassen.

Die Physiker beobachteten, dass sich bei einer Stromstärke von 106 Ampère pro Quadratmeter die Magnetwirbel losrissen. Diese im Vergleich zu bisherigen Experimenten relativ niedrige Stromstärke eröffnet ganz neue experimentelle Möglichkeiten. „Wir haben dadurch den Vorteil, dass wir mit einem großen Kristall arbeiten können, denn bei den sonst üblichen, viel höheren Stromstärken würde der Kristall sonst einfach verglühen“, so Rosch.

Die Kräfte, die auf die magnetischen Wirbel wirken und sie losreißen, beruhen auf einem quantenmechanischen Effekt, der viel Gemeinsamkeit mit einem Phänomen hat, das jedem Fußballspieler bekannt ist: Schneidet man einen Ball an, so dass er sich im Flug schnell um die eigene Achse dreht, dann wird der Ball durch die sogenannte Magnuskraft von seiner geraden Flugball abgelenkt und fliegt als „Bananenflanke“ um die Kurve. Der um seine Achse wirbelnde Ball reißt die Luft mit sich. Die mitgerissene Luft trifft auf die entgegenströmende und erzeugt auf der einen Seite des Balls einen Unterdruck und auf der anderen einen Überdruck, die den Ball ablenken. Bei den magnetischen Wirbeln ist es ähnlich: hier übernehmen magnetische Ströme die Rolle der Luftströmung. Anders als bei Luftströmen klingen die magnetischen Wirbelströme jedoch auch ohne Energiezufuhr niemals ab und die Stärke der Wirbel nimmt einen durch die Gesetze der Quantenmechanik genau festgelegten Wert an. Auch die Kopplung der Wirbel an die Bewegung der Elektronen wird durch quantenmechanische Effekte bestimmt. „Wenn ein Elektron durch diese Wirbelstruktur durchfliegt, dann muss der Elektronenspin dem Wirbel folgen. Dabei führt er eine charakteristische Torkelbewegung auf, die diese Kraft erzeugt“, erläutert Professor Rosch.

Im Experiment konnte allerdings die Bewegung der Wirbel nicht direkt beobachtet werden, sondern nur eine Drehung des gesamten, aus den Nanowirbeln zusammengesetzten Gitters. In der nun veröffentlichten Arbeit erklären die Wissenschaftler, was die Drehung verursacht. „Der primäre Effekt ist eigentlich die Bewegung des Skyrmiongitters“, so der Physiker. „Die zentrale Frage war - und das hat uns ein Jahr gekostet - warum dreht sich das jetzt?“ Bis zur Antwort dieser Frage war es ein arbeitsreicher Weg für die Kölner Physiker. Denn die Berechnungen der theoretischen Physiker aus dem Team von Achim Rosch widersprachen anfangs den Experimenten Ein Jahr lang überprüften Markus Garst, Karin Everschor und Achim Rosch die gesamte Arbeit, so Rosch: „Wir haben keine Rechnung jemals so gut durchgedacht, sicherlich zehn oder zwanzig mal. Wir haben nach Fehlern gesucht und noch einmal alles in Frage gestellt, bis wir felsenfest sicher waren.“ Die theoretischen Physiker kamen zu dem Schluss, dass die Theorie stimmte. Es musste einen Faktor im Experiment geben, der noch nicht identifiziert war.

Während die Kölner Physiker sich den Kopf zerbrachen, versuchten die Experimentatoren in München ebenfalls, auf die Spur des Rätsels zu kommen. Kontinuierlich tauschten die Forscher ihre Überlegungen aus, so Professor Rosch: „Es gab ein paar entscheidende Momente in Videokonferenzen, in denen wir die neuesten Ergebnisse aus dem Neutronenreaktor in München diskutiert haben.“ Der stete Kontakt zwischen den Gruppen und der Austausch der Ideen führte schlussendlich zum Erfolg: Es gab eine Temperaturdifferenz innerhalb des Materials. „Nachdem das entdeckt war, wussten wir praktisch sofort, worum es da geht und wie es zu erklären war“, erinnert sich der Kölner Physiker und erläutert: „Wenn man eine Seite wärmer macht, dann drehte sich das Wirbelgitter nach rechts, erwärmte man die andere Seite stärker, dann nach links. Nachdem wir das gesehen hatten, war uns klar, was die Drehung bewirkt. Drehung bekommt man, wenn man eine Kraft hat, die an einen Ende stärker zieht als am anderen.“ Den gefundenen Effekt konnte man also nicht nur durch den Strom kontrollieren, sondern auch durch die Manipulation der Temperatur. Die Forschungen am Experiment gaben die Gelegenheit, zwei Diplomarbeiten abzuschließen: Karin Everschor aus Köln arbeitete an der Theorie und Florian Jonietz aus München führte die zentralen Experimente durch.

Der Kölner Physiker sieht in dem Versuchsaufbau ein großes Potential für die zukünftige Grundlagenforschung über die Kopplungsmechanismen zwischen elektrischen Strömen und magnetischen Strukturen. „Es sind die idealen Systeme, um für die Grundlagenforschung dies in einem ganz sauberen Setup zu untersuchen“, so Rosch. Die Möglichkeit, magnetische Strukturen über Ströme zu kontrollieren, eröffnet langfristig auch die Möglichkeit, eine ganz neue Art der Elektronik zu entwickeln, die neben der elektrischen Ladung auch die magnetischen Eigenschaften der Elektronen ausnutzt.
Spin Transfer Torques in MnSi at Ultra-low Current Densities,
F. Jonietz, S. Mühlbauer, C. Pfleiderer, A. Neubauer, W. M¨unzer,A. Bauer, T. Adams, R. Georgii, P. Böni, R. A. Duine, K. Everschor, M. Garst, A. Rosch, Science, Erscheinungsdatum: 17.12.2010
Bei Rückfragen: Prof. Dr. Achim Rosch,
Institut für Theoretische Physik, rosch@thp.uni-koeln.de,
Tel.: 0221/470-4994
Verantwortlich: Dr. Patrick Honecker

Gabriele Rutzen | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-koeln.de

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