Forscher an der Universität Tokio in Japan, den Universitäten Cornell und Johns Hopkins in den USA und der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich haben einen starken Piezomagnetismus in einem antiferromagnetischen Material, Mangan-Zinn (Mn), beobachtet3Sn). Der Befund könnte die Verwendung dieses und ähnlicher Materialien in Computerspeichern der nächsten Generation ermöglichen.
Antiferromagnetische Materialien sind aus zwei Hauptgründen vielversprechende Kandidaten für zukünftige Speichergeräte mit hoher Dichte. Das erste ist, dass Elektronenspins (die als Bits oder Dateneinheiten verwendet werden) in Antiferromagneten schnell umkippen, und zwar bei Frequenzen im Terahertz-Bereich. Diese schnellen Spinumschläge sind möglich, weil die Spins in Antiferromagneten dazu neigen, sich antiparallel zueinander auszurichten, was zu starken Wechselwirkungen zwischen den Spins führt. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Ferromagneten, die parallele Elektronenspins haben.
Der zweite Grund ist, dass Antiferromagnete zwar über einen inneren Magnetismus verfügen, der durch den Spin ihrer Elektronen erzeugt wird, sie jedoch nahezu keine makroskopische Magnetisierung aufweisen. Dies bedeutet, dass die Bits dichter gepackt werden können, da sie sich nicht gegenseitig stören. Dies steht wiederum im Gegensatz zu den Ferromagneten, die in herkömmlichen Magnetspeichern verwendet werden und eine beträchtliche Nettomagnetisierung erzeugen.
Forscher nutzen den bekannten Hall-Effekt (bei dem ein angelegtes Magnetfeld in einem Leiter eine Spannung in einer Richtung senkrecht zum Feld und zum Stromfluss induziert), um die Werte antiferromagnetischer Bits auszulesen. Wenn die Spins im antiferromagnetischen Bit alle in die gleiche Richtung kippen, ändert die Hall-Spannung das Vorzeichen. Ein Vorzeichen der Spannung entspricht daher einer „Spin-Up“-Richtung oder „1“ und das andere Vorzeichen einer „Spin-Down“-Richtung oder „0“.
Dehnung steuert den Vorzeichenwechsel
In der neuen Arbeit führte ein Team durch Satoru Nakatsuji dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. University of Tokyo Gebrauchtgeräte entwickelt von Clifford Hicks und Kollegen bei Birmingham eine Probe von Mn platzieren3Sn unter Belastung. Mn3Sn ist ein unvollständiger (Weyl-)Antiferromagnet mit schwacher Magnetisierung und weist bekanntermaßen einen sehr starken anomalen Hall-Effekt (AHE) auf, bei dem Ladungsträger auch ohne angelegtes Magnetfeld eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu einem angelegten elektrischen Feld annehmen.
Dotierte Antiferromagnete schalten schneller
Die Forscher fanden heraus, dass sie durch unterschiedliche Belastung der Probe sowohl die Größe als auch das Vorzeichen des AHE des Materials steuern konnten. „Seit der Entdeckung des AHE durch Edwin Hall im Jahr 1881 wurde kein Bericht über die kontinuierliche Abstimmung des AHE-Zeichens durch Stamm gemacht“, erzählt Nakatsuji Physik-Welt. „Auf den ersten Blick mag es scheinen, dass die Hall-Leitfähigkeit, eine Größe, die bei Zeitumkehr ungerade ist, nicht durch Spannung kontrolliert werden kann, die bei Zeitumkehr gerade ist. Unser Experiment und unsere Theorie zeigen jedoch deutlich, dass eine sehr kleine Dehnung in der Größenordnung von 0.1 % nicht nur die Größe, sondern auch das Vorzeichen des AHE steuern kann.“
Wichtig für die antiferromagnetische Spintronik
Das Team sagt, dass die Möglichkeit, AHE mithilfe von Spannungen steuern zu können, für sogenannte „Spintronik“-Anwendungen mit antiferromagnetischen Materialien wichtig sein wird. Da der Weyl-Halbmetallzustand von Mn3Sn lässt sich auch elektrisch schalten, die neue Entdeckung macht das Material für die Spintronik noch attraktiver und zahlreiche Gruppen auf der ganzen Welt arbeiten mittlerweile daran, es in Dünnschichtform herzustellen.
Die vorliegende Arbeit ist detailliert in Naturphysik.
