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Chaos im Glas: Von Spin-Gläsern und -Ventilen

18.04.2007
RUB-Physiker veröffentlichen "TOP Paper 2006"
Theorie erstmals experimentell bestätigt

Mit dem Titel "TOP Paper 2006" hat die renommierte Zeitschrift "Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)" einen Beitrag von RUB-Physikern zu den Grundlagen des "Spin-Ventils" geadelt. Den Forschern war es gelungen, Theorien zum sog. Exchange Bias Effect, den man sich für Festplattenleseköpfe und andere IT-Hardware zunutze macht, experimentell zu bestätigen. Die Zeitschrift JCPM wird vom britischen Institute of Physics (IOP) herausgegeben, dem Pendant zur Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Die Auswahl der "top" Veröffentlichungen wurde von den leitenden Herausgebern von JPCM zusammen mit Gutachtern und Mitgliedern des Editorial Boards getroffen. In der Zeitschrift erscheinen jährlich ca. 1300 wissenschaftliche Artikel, die ein strenges Gutachterverfahren durchlaufen müssen. "Weniger als zwei Prozent der Beiträge haben das Prädikat 'TOP Paper' bekommen", freut sich Autor Prof. Dr. Hartmut Zabel, "darauf können wir sehr stolz sein."

Nützlich für Festplattenleseköpfe

Der Exchange Bias Effect (Austauschasymmetrie), der seit ca. 50 Jahre bekannt ist, wird erst seit etwa zehn Jahren von vielen Forschergruppen weltweit intensiv erforscht. Grund dafür ist seine Bedeutung für technische Anwendungen: In allen heutigen Leseköpfen von Festplatten wie auch in anderen magnetischen Sensoren wird inzwischen davon Gebrauch gemacht. Der Effekt beruht auf einer Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten über eine gemeinsame Grenzfläche hinweg. Diese Wechselwirkung führt zu einer charakteristischen Verschiebung der dauerhaften Magnetisierung der Schichten. Der Effekt wird eingesetzt, um ein Spin-Ventil schalten zu können, das eine Richtung des Elektronenspins durchlässt, für die andere aber gesperrt ist. Solche Ventile sind Grundbausteine des magnetischen Datenspeichers (MRAM).

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Erstmals Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment

"Der Effekt der Austauschasymmetrie zwischen ferro- und antiferromagnetischen Schichten ist physikalisch klar und qualitativ leicht verständlich", erklärt Prof. Zabel. "Viele Theorien sind veröffentlicht worden, die verschiedene Aspekte dieses Effekts erklären. Sie alle haben aber den Nachteil, dass sie den Effekt zwar qualitativ, aber nicht quantitativ beschreiben können." Dies liegt an der Besonderheit der Grenzfläche zwischen den ferro- und antiferromagnetischen Schichten, die dem bloßen Auge und vielen analytischen Methoden verborgen bleibt. In ihrem Paper "Quantitative description of exchange bias" beschreiben Florin Radu, Andreas Westphalen, Katharina Theis-Bröhl und Hartmut Zabel vom Lehrstuhl Experimentalphysik, insbesondere Festkörperphysik, nun zum ersten Mal der Exchange Bias Effekt vollständig und mit quantitativer experimenteller Übereinstimmung. Der entscheidende Durchbruch gelang durch Experimente, die Florin Radu mit durchdringender Neutronen- und Synchrotronstrahlung durchführte, und die besonders empfindlich die Grenzflächen untersuchten. "Diese Experimente haben überraschenderweise eine hohe Unordnung in der Spinstruktur an der Grenzfläche ergeben", so Prof. Zabel. Da diese Unordnung ähnlich der atomaren Unordnung in Gläsern ist, spricht man auch von Spin-Gäsern. Berücksichtigt man bei der theoretischen Beschreibung das spinglasartige Verhalten an der Grenzfläche zwischen Ferro- und Antiferromagnet, dann wird eine bisher nicht erreichte Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment erreicht. Florin Radu hat 2005 seine Dissertation an der Ruhr-Universität Bochum mit "Summa cum laude" abgeschlossen. Er ist jetzt Wissenschaftler am Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung "BESSY".

Titelaufnahme

Florin Radu, Andreas Westphalen, Katharina Theis-Bröhl and Hartmut Zabel: Quantitative description of the azimuthal dependence of the exchange bias effect. In: J. Phys.: Condens. Matter 18(2006) L29-L36

Weitere Informationen

Prof. Dr. Hartmut Zabel, Institut für Experimentalphysik der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23649, E-Mail: hartmut.zabel@rub.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

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