Antiferromagnete stellen Potenzial für die spinbasierte Informationstechnologie unter Beweis

Prinzip des einfachen Auslesens und Schreibens von digitaler Information in Antiferromagneten demonstriert / Grundlage für ultraschnelle und stabile Speicherelemente

25.01.2018

Im aufstrebenden Feld der spinbasierten Elektronik wird Information üblicherweise durch die Ausrichtung der Magnetisierung von ferromagnetischen Materialien gespeichert. Zusätzlich wird jedoch auch daran geforscht, Antiferromagnete zu nutzen. Antiferromagnete sind Materialien ohne makroskopische Magnetisierung, aber mit mikroskopisch wechselnder Ausrichtung ihrer magnetischen Momente. Hierbei wird die Information durch die Richtung der Modulation der magnetischen Momente gespeichert, ausgedrückt durch den sogenannten Néel-Vektor. Antiferromagnete ermöglichen prinzipiell deutlich schnellere Schreibvorgänge und sind sehr stabil gegenüber externen Störfeldern. Allerdings bedeuten diese Vorteile auch, dass sowohl die Manipulation als auch das Auslesen der Orientierung des Néel-Vektors eine große Herausforderung darstellen. Dies konnte bisher nur für die halbmetallische Verbindung CuMnAs, also Kupfermanganarsenid, erreicht werden, die jedoch im Hinblick auf etwaige Anwendungen diverse Nachteile aufweist.

Wissenschaftlern des Instituts für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist nun ein wesentlicher Fortschritt gelungen: Wie im Online-Wissenschaftsjournal Nature Communications publiziert, konnten sie an dünnen Schichten der bereits bei hohen Temperaturen antiferromagnetisch ordnenden metallischen Verbindung Mn2Au aus Mangan und Gold ein strominduziertes Schalten des Néel-Vektors experimentell nachweisen. Insbesondere wurde dabei ein zehnfach größerer Magnetowiderstand als bei CuMnAs beobachtet. Entsprechende Berechnungen hat Libor Šmejkal erstellt, der im Rahmen einer Kollaboration mit der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik seine Promotion in der Arbeitsgruppe Sinova an der JGU durchführt. "Diese Berechnungen sind wichtig zum Verständnis der experimentellen Arbeiten, die mein Doktorand Stanislav Bodnar vornimmt. Dadurch könnte Mn2Au zu einem Türöffner für zukünftige antiferromagnetische Spin-Elektronik werden", erklärt Dr. Martin Jourdan, der Projektleiter der Studie. "Über ihren großen Magnetowiderstand hinaus ist ein entscheidender Vorteil dieser Verbindung, dass sie keine toxischen Komponenten enthält und auch bei höheren Temperaturen genutzt werden kann."

Die Spin-Elektronik oder auch Spintronik stellt einen Schwerpunkt der Forschung am Institut für Physik der JGU dar und wird dort insbesondere von den Arbeitsgruppen Kläui im Experiment und Sinova in der Theorie betrieben. Finanziert wurde die Studie durch den transregionalen Sonderforschungsbereich SFB/TRR 173 Spin+X der TU Kaiserslautern und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.