Kieler Forscher beeinflussen Magnetwiderstand zweiatomiger Bleimoleküle

Mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops lassen sich Bleiatome (orange) auf einer Eisenoberfläche (blau) mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen verschieben. © AG Berndt

Die moderne Speichertechnologie mit immer kleineren und leistungsfähigeren Festplatten kommt ohne sie nicht aus: Die Effekte des sogenannten Magnetwiderstands sorgen dafür, dass die auf Festplatten magnetisch gespeicherten Daten elektrisch ausgelesen werden können.

Dabei führt bereits eine schwache Änderung des Magnetfelds zu einer verhältnismäßig großen Anpassung des elektrischen Widerstandes eines Materials. Für die Entdeckung eines dieser Effekte wurde 2007 der Physik-Nobelpreis vergeben. Mittlerweile werden sie standardmäßig in Festplatten-Leseköpfen oder in der Automobilsensorik angewendet. Physiker der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beschäftigen sich mit dem verwandten Effekt des sogenannten anisotropen, richtungsabhängigen, Tunnelmagnetwiderstand.

Sie konnten nun zeigen, wie sich dieser Effekt auf atomarer Skala beeinflussen lässt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Physical Review B Rapid Communications. Langfristig könnte er für ein neues Prinzip in der Datenspeicherung genutzt werden, sogenannte MRAM-Speicher (Magnetoresistive Random Access Memory).

Diese Arbeitsspeicher versprechen eine hohe Datendichte und lassen sich schnell und ohne hohen Energieverbrauch auslesen. Im Gegensatz zu herkömmlichen halbleiterbasierten RAMs speichern sie Daten in einem nichtflüchtigen Zustand. Informationen werden auch bei abgeschaltetem Computer weiter gespeichert und sind nach dem Einschalten sofort verfügbar.

Um immer größere Datenmengen von immer kleineren Festplatten abrufen zu können, sind leistungsfähige Leseköpfe unverzichtbar. Informationen sind auf Festplatten in Form kleiner Bereiche mit verschiedenen Ausrichtungen der Magnetisierung gespeichert.

Diese Unterschiede im Magnetfeld wandelt der Lesekopf in verschiedene Widerstände um, die sich elektronisch leicht verarbeiten lassen. Um eine Widerstandsänderung zu erkennen und Informationen auszulesen, ist im Falle des Tunnelmagnetwiderstands neben der elektrischen Ladung der fließenden Elektronen auch ihre zweite Eigenschaft, der Spin, entscheidend.

Das Kieler Forschungsteam hat hingegen den anisotropen Tunnelmagnetwiderstands untersucht. Anisotrop bedeutet, dass die Widerstandsänderung von der Richtung des Stroms relativ zur Magnetisierung abhängt. Dieser Effekt kommt ohne die Spineigenschaft aus und kann so Bauelemente für die Speichertechnologie vereinfachen. Das Experiment der Kieler Wissenschaftler zeigt, dass sich damit auch auf molekularen Strukturen gespeicherte magnetische Informationen auslesen lassen könnten.

Atome verschieben im Rastertunnelmikroskop

Für ihr Experiment nutzte das Kieler Forschungsteam um Professor Richard Berndt ein Rastertunnelmikroskop (RTM). Damit lässt sich die geometrische Struktur metallischer Oberflächen bis auf Skala einzelner Atome untersuchen und zum Beispiel die Änderung des elektrischen Widerstands messen. Außerdem lässt sich mit seiner feinen Spitze die Struktur Atom-für-Atom manipulieren und so die physikalischen Eigenschaften eines Materials gezielt ändern. Gewissermaßen „handgemachte“ Moleküle können damit maßgeschneidert hergestellt werden.

Mit dem RTM stellten die Kieler Physiker aus zwei Bleiatomen ein Molekül her, ein sogenanntes Bleidimer, um den schwachen Effekt des anisotropen Magnetwiderstands zu verstärken. Denn Blei besitzt aufgrund seiner hohen Kernladungszahl eine verhältnismäßig große quantenmechanische Spin-Bahn-Wechselwirkung.

Das heißt, die räumliche Anordnung der Bleiatome beeinflusst die magnetischen Eigenschaften des Materials besonders stark. In einem zweiten Schritt gelang es den Wissenschaftlern, mit dem RTM das Bleidimer auf eine Eisenoberfläche mit verschiedenen magnetischen Richtungen aufzubringen. „Blei ist selbst nicht magnetisch und lässt sich auf magnetischen Oberflächen gut bewegen“, erklärt Erstautor Dr. Johannes Schöneberg aus Berndts Arbeitsgruppe die Idee ihres Experiments. So konnten sie Bleidimere auf magnetisch unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche und in verschiedenen Orientierungen positionieren.

Mit Bleiatomen magnetische Wechselwirkungen beeinflussen

In ihrem Experiment untersuchen die Forscher, wie sich der elektrische Widerstand in den verschiedenen Bereichen und Orientierungen jeweils ändert. Sie beobachteten je nach Ausrichtung des Dimers sowohl einen sehr starken als auch einen verschwindend geringen Magnetwiderstand. Um diese Ergebnisse zu verstehen, führte Dr. Paolo Ferriani aus der Arbeitsgruppe von Professor Stefan Heinze numerische, quantenmechanische Berechnungen auf den Supercomputern des Norddeutschen Verbunds für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) durch. „Damit konnten wir zeigen, dass die Widerstandsänderung stark davon abhängt, wie die Achse des Dimers und seine Spinrichtung zueinander orientiert sind“, so Ferriani.

Für einen gezielten Einsatz im neuen Forschungsgebiet der Spinelektronik sind die untersuchten Bleidimere jedoch noch nicht geeignet. Ihre Experimente mussten die Kieler Physiker unter besonderen Voraussetzungen bei -269°C durchführen, da die Dimere bei Raumtemperatur nicht stabil sind. Ihre Arbeiten unter Laborbedingungen zeigen aber, dass „handgemachte“ Strukturen auf atomarer Skala ein großes Potential haben, um Magnetwiderstände zu kontrollieren.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Sonderforschungsbereiche 677 „Funktion durch Schalten“ der CAU und 668 „Magnetismus: Vom Einzelatom zur Nanostruktur“ der Universität Hamburg.

Originalveröffentlichung:
Tunneling anisotropic magnetoresistance via molecular π orbitals of Pb dimers, Johannes Schöneberg, Paolo Ferriani, Stefan Heinze, Alexander Weismann und Richard Berndt, Physical Review B (Rapid Communications & Editors’ Suggestion) 97, 041114 (2018).
https://journals.aps.org/prb/pdf/10.1103/PhysRevB.97.041114

Hintergrundinformation:
Der Spin der Elektronen, der mit einem magnetischen Moment verknüpft ist und in magnetischen Materialien zur Ausbildung „atomarer Stabmagnete“ (atomarer Spins) führt, eignet sich dazu, Informationen zu verarbeiten und zu kodieren. Durch seine gezielte Manipulation könnte man schnellere, energiesparsamere und leistungsfähigere Bauelemente für die Informationstechnologie schaffen. Damit beschäftigt sich das Forschungsgebiet der Spinelektronik, auch Spintronik genannt.

https://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/215-Magnet…
Bildunterschrift: Dank des physikalischen Effekts des Magnetwiderstands können magnetisch auf Festplatten gespeicherte Daten elektrisch ausgelesen werden.
Foto: Pixabay, CC0 Creative Commomns

https://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/215-Magnet…
Bildunterschrift: Mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops lassen sich Bleiatome (orange) auf einer Eisenoberfläche (blau) mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen verschieben.
Abbildung: AG Berndt

https://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2018/215-Magnet…
Bildunterschrift: Die Experimente der Kieler Physiker mit Molekülen aus zwei Bleiatomen (rot) zeigten, dass der Magnetwiderstand, also die Änderung des elektrischen Widerstandes eines Materials bei Änderung der Magnetisierungsrichtung, stark davon abhängt, wie sich die Achse (L) der Bleimoleküle und die Spinrichtung (S) zueinander orientieren.
Abbildung: Weismann

https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/kieler-forscher-beeinflussen-magne…

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Dr. Boris Pawlowski Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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