Fundamentale Beobachtung spin-gesteuerter elektrischer Leitung in Metallen

Moderne magnetische Speicher, wie zum Beispiel die in fast jedem Computer eingebauten Festplatten, können große Datenmengen speichern und vor allem – dank winziger Sensoren im Nanobereich – den Speicher auslesen.

Diese magnetischen Sensoren, oft Spinventile genannt, basieren auf dem Riesenmagnetowiderstandseffekt (Giant Magnetoresistance, GMR), für dessen Entdeckung Albert Fert und Peter Grünberg 2007 den Physiknobelpreis erhielten.

Der GMR-Effekt beruht auf einer Theorie des elektrischen Ladungstransports in ferromagnetischen Metallen, die von Sir Nevill F. Mott im Jahr 1936 entwickelt wurde. In Motts Modell werden die Elektronen aufgrund ihres mikroskopischen magnetischen Moments – ihres Spins – unterschiedlich gestreut.

Die Elektronen mit der einen Spinausrichtung streuen weniger als diejenigen mit der entgegengesetzten Ausrichtung. Sie tragen daher mehr zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Diese Spin-Asymmetrie zwischen den Leitungselektronen wird durch die Kombination von ferromagnetischen und nicht magnetischen Metallen sehr verstärkt, besonders wenn sie ein Spinventil bilden, in dem der spezifische elektrische Widerstand sehr stark auf ein Magnetfeld reagiert, was zum GMR-Effekt führt.

Obwohl Motts spinabhängige Leitfähigkeit die Grundlage für magnetische Speicher und viele andere Technologien darstellt, war lange Zeit ihre direkte Beobachtung eine Herausforderung. Grund hierfür ist, dass die fundamentalen Größen von Motts Modell – spinabhängige Stoßzeit und spinabhängige Elektronendichte – nur durch Messungen der Leitfähigkeit auf den ultraschnellen Zeitskalen, auf denen die Elektronenstreuung stattfindet, also unter 100 Femtosekunden (1 fs = 10-15 s, d.h. das Billiardstel einer Sekunde) direkt und eindeutig bestimmt werden können. Solche extrem kurzen Zeitskalen verhinderten grundsätzlich für viele Jahrzehnte die direkte Beobachtung des Magnetotransports in Metallen.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen den Forschungsgruppen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) und der Johannes Gutenberg-Universität (JGU), unter Beteiligung der Mainzer Firma Sensitec GmbH und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, haben die Wissenschaftler diese Geschwindigkeitshürde für fundamentale Magnetotransportmessungen mittels ultraschneller Terahertz-Spektroskopie überwunden (1 THz = 1012 Hz, also eine Billion Schwingungen pro Sekunde).

„Indem wir die Wechselwirkung von elektromagnetischen Terahertzwellen – welche ungefähr genauso schnell schwingen wie die Elektronen streuen – mit dem Spinventil untersuchten, konnten wir die fundamentalen Größen von Motts Theorie zum ersten Mal direkt bestimmen“ erklärt Dmitry Turchinovich, Projektleiter am MPI-P.

„Insbesondere fanden wir heraus, dass bei traditionellen Messungen auf größeren Zeitskalen die Spin-Asymmetrie der Elektronenstreuung, welche für die magnetische Sensorfunktion verantwortlich ist, signifikant unterschätzt wurde“.

Die Ergebnisse des Forschungsteams Zuanming Jin, Alexander Tkach, Frederick Casper, Victor Spetter, Hubert Grimm, Andy Thomas, Tobias Kampfrath, und Mischa Bonn unter Leitung von Dmitry Turchinovich am MPI-P und Mathias Kläui an der JGU, wurden kürzlich in Nature Physics veröffentlicht.

Diese Arbeit bringt ein neues und mächtiges Werkzeug in das Forschungsgebiet der Spintronik ein. Mit der ultraschnellen Terahertz-Spektroskopie eröffnet sie ein neues Forschungsgebiet: die Terahertz-Spintronik.

http://mainz-thz-group.weebly.com/– Information über Prof. Turchinovich und seine Forschung
http://www.mpip-mainz.mpg.de/ – Max-Planck-Institut für Polymerforschung