Veröffentlichung in „Nano Letters“ – Magneto-Optik bei Raumtemperatur

Bei der Erforschung der hierzu benötigten magneto-optischen Materialien ist einer Arbeitsgruppe vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) ein entscheidender Schritt gelungen. Ihre Ergebnisse erschienen jüngst in der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“.

Heutzutage basiert die dauerhafte Datenspeicherung auf den magnetischen Eigenschaften von Metallen. Die ultraschnelle Informationsverarbeitung im Chip hingegen verwendet eine andere Materialklasse, die Halbleiter. Silizium ist deren prominentestes Beispiel. Gelingt es, Halbleitern eine magnetische Funktionalität aufzuprägen, wären Bauelemente möglich, die Informationen speichern und verarbeiten und dabei weniger Energie verbrauchen als heutige Komponenten. Der kommerzielle Einsatz solcher „Wundermaterialien“ ist allerdings noch Zukunftsmusik.
In einer Kooperation der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Gerd Bacher vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) und der Arbeitsgruppe um Prof. Taeghwan Hyeon von der Universität Seoul in Südkorea gelang allerdings ein wichtiger Fortschritt in diesem zukunftsträchtigen Forschungsfeld.

Das Team um die gebürtige Brasilianerin Rachel Fainblat, Doktorandin bei Prof. Bacher, hat für seine Untersuchungen chemisch hergestellte Streifen aus Selen und Cadmium verwendet – Bänder, die nur wenige Nanometer breit und einige Mikrometer lang sind und denen winzige Mengen von Mangan beigemischt sind. Die elektronischen und optischen Eigenschaften werden durch den Halbleiter Cadmiumselenid bestimmt, die magnetischen Eigenschaften durch die Manganatome im Kristall. Entscheidend für die Anwendungen ist nun, wie diese Eigenschaften miteinander verknüpft sind. Diese Kopplung wird durch zwei Konstanten beschrieben, deren Abhängigkeit von der Größe der Nanostrukturen in der Literatur heftig umstritten ist.

Fainblats Ziel war es nun, diese Kopplungsstärke zu bestimmen und das Potenzial dieser ungewöhnlichen Nanostrukturen für Anwendungen bei Raumtemperatur zu erforschen.

Dazu hat die 29-Jährige optische Messmethoden eingesetzt und mit verschieden starken Magnetfeldern und unterschiedlichen Anregungswellenlängen experimentiert. Aus den experimentellen Ergebnissen konnte sie auf die Stärke der Kopplung zwischen Ladungsträgern und magnetischen Dotieratomen in den Nanobändern zurückschließen.

„Weil wir die Übergänge aus zwei verschiedenen Energiebändern, also vereinfacht ausgedrückt verschiedenen Energieniveaus, bestimmt haben, konnten wir als erste beide Kopplungskonstanten unabhängig bestimmen und zeigen, dass eine der beiden Konstanten in der Tat in Nanostrukturen stark verändert ist“, berichtet Fainblat. Zusätzlich – und für Anwendungen extrem wichtig – konnte sie nachweisen, dass die Nanobänder auch bei Raumtemperatur magneto-optische Funktionalität zeigen. Vorherige Untersuchungen bezogen sich immer auf extrem tiefe Temperaturen.

„Aber eine Platine, die erst in flüssigem Stickstoff gekühlt werden muss, damit sie funktioniert, ist für die Routineanwendung schlicht untauglich.“ Was die untersuchten Nanobänder zusätzlich attraktiv für industrielle Anwendungen macht, ist ihre einfache und flexible Prozessierbarkeit – auch auf flexiblen Substraten wie z. B. Folien.

Wie wichtig ihre Arbeit für künftige magneto-optische Technologien ist, zeigt die Tatsache, dass Fainblat für ihre Veröffentlichung auf der größten Konferenz im Bereich der Halbleiterphysik (International Conference on the Physics of Semiconductors) mit dem Preis „Young Scientist Best Paper Award“ ausgezeichnet wurde.

DOI: 10.1021/nl302639k

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Birte Vierjahn, CENIDE, Tel. 0203/379-8176, birte.vierjahn@uni-due.de