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Verblüffender Parabeltrick: Helmholtz-Physiker weisen ungewöhnliches Magnetverhalten nach

03.09.2019

Digitale Datenspeicher beruhen meist auf magnetischen Phänomenen. Je genauer man diese Phänomene kennt, umso bessere Speicherchips und Festplatten lassen sich bauen. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben nun eine wichtige Grundlage für künftige Speicher geschaffen: Mit einem originellen Kniff gelang es ihnen, sogenannte chirale Effekte in einem verbreiteten Magnetmaterial zu erzeugen. Dadurch könnten sich bestimmte Magnetsysteme künftig sehr viel einfacher herstellen lassen als heute. Das Team präsentiert seine Arbeit im Fachjournal „Physical Review Letters“ (DOI: 10.1103/physrevlett.123.077201).

Linke Hand und rechte Hand sind bekanntlich unterschiedlich – ein linker Handschuh passt nicht auf die rechte Hand und umgekehrt. Wissenschaftler sprechen bei solchen Objekten, die sich nicht mit ihrem Spiegelbild zur Deckung bringen lassen, von „Chiralität“.


Um magnetische Dünnschichten herzustellen, nutzen die HZDR-Physiker eine Sputteranlage. Mit Hilfe lithographischer Methoden formen sie anschließend verschiedene Parabelstreifen.

HZDR / S. Floss

Insbesondere Chemiker kennen diese Eigenschaft von Molekülen – etwa bei der links- und rechtsdrehenden Milchsäure. Letztere kann vom Menschen leichter verstoffwechselt werden als ihr „Spiegelbild“.

Auch bei magnetischen Materialien sind solche chiralen Effekte bekannt, und zwar bezüglich ihrer sogenannten Textur. Damit bezeichnen Fachleute die Art und Weise, wie die einzelnen magnetischen Momente im Material angeordnet sind. Oder wie, bildlich gesprochen, die vielen winzigen „Kompassnadeln“ stehen, aus denen sich ein Magnet zusammensetzt.

Unter bestimmten Bedingungen gibt es Texturen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten – eine linkshändige Textur kann nicht mit ihrer rechtshändigen Version zur Deckung gebracht werden.

Das Interessante: „Beide Texturen können sich in ihrem magnetischen Verhalten voneinander unterscheiden“, beschreibt HZDR-Physiker Dr. Denys Makarov. „So kann eine rechthändige Textur weniger Energie besitzen als die linkshändige.“ Die Folge: Da Systeme in der Natur dazu neigen, einen möglichst niedrigen energetischen Zustand zu erreichen, wird die rechthändige bevorzugt. Technologisch sind solche chiralen Effekte durchaus vielversprechend. Unter anderem könnten sie helfen, künftige Mikrobauteile wie Sensoren, Schalter und Speicher mit sehr hoher Energieeffizienz zu entwickeln.

Magnetisches Verharrungsvermögen

„Zwar sind schon seit einiger Zeit Materialen bekannt, in denen sich chirale Effekte nachweisen lassen“, erklärt der Erstautor der Arbeit, Dr. Oleksii Volkov vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. „Aber dabei handelt es sich um sehr exotische Stoffe, die schwierig herzustellen sind und oft nur bei besonderen Bedingungen funktionieren, etwa bei extremer Kälte.“

Deshalb schlug Makarovs Team einen anderen Weg ein. Es ging von einem gebräuchlichen Magnetmaterial wie Nickel oder Eisen aus und baute aus diesem Material gekrümmte Objekte, zum Beispiel parabelförmige Streifen. Konkret arbeiteten die Fachleute mit einer Legierung namens Permalloy, die aus 80 Prozent Nickel und 20 Prozent Eisen besteht. Aus dünnen Filmen dieser Legierung formten sie mithilfe von Lithographie verschiedene Parabelstreifen etwa von der Größe eines Mikrometers.

Anschließend setzten die Physiker die Proben einem magnetischen Feld aus. Dadurch orientierten sich die magnetischen Momente in den Parabeln, sodass sie in dieselbe Richtung wie das äußere Magnetfeld zeigten. Danach polten die Forscher das äußere Magnetfeld allmählich bis in die entgegengesetzte Richtung um.

Über ein hochempfindliches Analyseverfahren am Elektronensynchrotron des HZB konnten die Wissenschaftler darstellen, dass die magnetischen Momente in der Parabel zunächst in ihrer ursprünglichen Richtung verharrten. Erst als sie das Magnetfeld erhöhten, sprangen die Magnetmomente um und zeigten in die entgegengesetzte Richtung.

Überraschend großer Effekt

Als Erklärung für dieses verzögerte Umspringen machen die Fachleute chirale Effekte verantwortlich, hervorgerufen durch die Krümmung der Streifen am Scheitelpunkt der Parabelproben.

„Theoretiker hatten dieses ungewöhnliche Verhalten zwar schon länger vorgeschlagen, aber das wurde eigentlich eher als ein theoretischer Kniff angesehen“, erläutert Dr. Florian Kronast vom Helmholtz-Zentrum Berlin. „Doch wir haben jetzt gezeigt, dass dieser Trick tatsächlich funktioniert. Damit ist es uns gelungen, chirale Effekte in einem wirklich einfachen Material zu finden, und zwar rein durch die geometrische Krümmung der Streifen.“

Dabei stießen die Fachleute auf gleich zwei Überraschungen: Zum einen fiel der Effekt sehr stark aus und kann dadurch zur Beeinflussung etwa von magneto-elektrischen Materialeigenschaften verwendet werden.

Zum anderen zeigte er sich bei einem relativ großen Objekt: einer mikrometergroßen Parabel, die sich mit üblichen Lithographie-Verfahren herstellen lässt. Zuvor hatte die Fachwelt gemutmaßt, dass diese krümmungsbedingten chiralen Effekte allenfalls bei kleineren Objekten von wenigen Nanometer Größe zu beobachten seien.

„Mögliche Anwendungen sehen wir unter anderem für die Verwirklichung von mikroskopischen magnetischen Schaltern und Datenspeichern“, betont Makarov. Manche Zukunftskonzepte sehen nämlich vor, die digitale Information in bestimmten magnetischen Bereichen abzuspeichern, sogenannten chiralen Domänenwänden oder Skyrmionen.

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, solche Objekte relativ einfach herzustellen. Und das bei Raumtemperatur und mit gebräuchlichen Materialien. Aber auch neuartige, hochempfindliche Magnetfeld-Sensoren scheinen auf der Basis des neu entdeckten Effekts möglich.

Publikationen:
O.M. Volkov, A. Kákay, F. Kronast, I. Mönch, M.-A. Mawass, J. Fassbender, D. Makarov: Experimental observation of exchange-driven chiral effects in curvilinear magnetism, in Physical Review Letters, 2019 (DOI: 10.1103/physrevlett.123.077201)

Weitere Informationen:
Dr. Denys Makarov
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260-3273 | E-Mail: d.makarov@hzdr.de

Medienkontakt:
Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel.: +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden | www.hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt knapp 1.200 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Denys Makarov
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260-3273 | E-Mail: d.makarov@hzdr.de

Originalpublikation:

O.M. Volkov, A. Kákay, F. Kronast, I. Mönch, M.-A. Mawass, J. Fassbender, D. Makarov: Experimental observation of exchange-driven chiral effects in curvilinear magnetism, in Physical Review Letters, 2019 (DOI: 10.1103/physrevlett.123.077201)

Simon Schmitt | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Weitere Informationen:
http://www.hzdr.de/

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