Das internationale Forscherteam, bestehend aus theoretischen Physikern aus Augsburg und Regensburg sowie experimentellen Physikern von der Tohoku 伟德国际_伟德国际1946$娱乐app游戏 in Sendai (Japan), dem National Institute for Materials Science in Tsukuba (Japan) und der Dalian 伟德国际_伟德国际1946$娱乐app游戏 of Technology (China), hat wichtige Hinweise auf die entscheidende Rolle von Grenzfl?chen in kleinsten ?spintronischen“ Bauelementen gefunden.

Schon seit L?ngerem ist bekannt, dass für die Kopplung von magnetischen und elektrischen Ph?nomenen in bestimmten metallischen oder halbleitenden Materialien die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten der Elektronen (?Spin“) und deren Bahnbewegung entscheidend ist. Diese Spin-Bahn-Wechselwirkung ist eigentlich ein kleiner, relativistischer Effekt, der aber in Festk?rpern, abh?ngig von den Details der Elektronenstruktur, deutlich erh?ht sein kann. Die magnetischen Momente der Elektronen haben nur zwei Einstellm?glichkeiten, die oft zur Vereinfachung als ?up“ und ?down“ bezeichnet werden. Einen (reinen) elektrischen Strom erh?lt man somit, wenn Up- und Down-Elektronen in gleicher St?rke in die gleiche Richtung flie?en, w?hrend bei einem (reinen) Magnetstrom die beiden Elektronentypen in entgegengesetzter Richtung unterwegs sind.

Spintronik = Spin + Elektronik

Die Kopplung zwischen den magnetischen Eigenschaften und deren elektrischen Transporteigenschaften, kurz Spintronik, ist seit den 1980er Jahren international ein ?hei?es“ Thema. Denn die Steuerung magnetischer Effekte mithilfe elektrischer Methoden hat ein vielf?ltiges Anwendungspotential – nicht zuletzt für die Datenspeicherung auf Festplatten. Ein vielversprechender Effekt für die Realisierung zukünftiger spintronischer Bauelemente ist u. a. der Spin-Hall-Effekt. Bei starker Spin-Bahn-Kopplung werden die Ladungstr?ger beim Anlegen eines elektrischen Stroms senkrecht zur Stromrichtung abgelenkt, abh?ngig von der Orientierung ihres Spins: Es entsteht ein reiner, prinzipiell reibungslos flie?ender Magnetstrom senkrecht zum elektrischen Strom.

YIG-NiMnSb-Schichtstrukturen

In den Experimenten untersuchten die Forscher ein Material, das eine spezielle magnetische Eigenschaft aufweist: Die Heusler-Verbindung NiMnSb ist ein Halb-伟德国际_伟德国际1946$娱乐app游戏l, in dem in guter N?herung nur die Elektronen einer Spin-Richtung beweglich sind; diese nennt man Majorit?tselektronen. Das hei?t, wenn man einen Ladungsstrom durch dieses Material flie?en l?sst, kommt an der anderen Seite ein spinpolarisierter Strom heraus – das Material wirkt also wie ein Spinfilter. In dem Experiment wurde nun ein dünner Film der Heusler-Verbindung auf Yttrium-Eisen-Granat (Yttrium-Iron-Garnet, kurz: YIG) aufgedampft. Letzteres ist zwar magnetisch, hat aber keine beweglichen Ladungstr?ger. Durch eine zeitliche Variation der YIG-Magnetisierung (?spin pumping“) gelingt es jedoch, einen Spinstrom in den NiMnSb-Film zu injizieren. Aufgrund der Spin-Bahn-Wechselwirkung wird dieser Spinstrom in einen senkrecht dazu flie?enden Ladungsstrom umgewandelt, der als Spannung abgegriffen werden kann. Die gemessene Spannung zeigte jedoch eine überraschende Abh?ngigkeit von der Temperatur – und dazu noch eine charakteristische Variation mit der Dicke des NiMnSb-Films.

Spin-Ladungs-Konversion an der Grenzschicht

Angesichts dieser unerwarteten Ergebnisse waren innovative theoretische Ideen gefragt. Glücklicherweise hatten sich Dr. Cosimo Gorini, Habilitand am Lehrstuhl von Prof. Dr. Klaus Richter der Universit?t Regensburg, und Dr. Sebastian T?lle, Mitarbeiter am Lehrstuhl von Prof. Dr. Ulrich Eckern der Universit?t Augsburg, bereits seit einigen Jahren theoretischen Untersuchungen zur Temperaturabh?ngigkeit von spintronischen Effekten gewidmet. Dadurch konnten sie Zhenchao Wen, dem führenden Forscher der experimentellen Gruppe, theoretische Unterstützung leisten. Cosimo Gorini und Sebastian T?lle erkl?rten die experimentellen Befunde so: Die Injektion eines reinen Spinstroms in ein Halb-伟德国际_伟德国际1946$娱乐app游戏l ist nur m?glich, wenn die halbmetallische Eigenschaft an der Grenzschicht deutlich vermindert ist. Daraus ergibt sich eine Zusatzspannung, die nicht von der Dicke des Heusler-Films abh?ngt.? Das konnten die Wissenschaftler im Experiment beobachten. Die theoretische Bestimmung der Temperaturabh?ngigkeit gelang ebenfalls, wobei die bereits vor einigen Jahren von anderen Autoren vorhergesagte Kopplung zwischen Majorit?ts- und Minorit?tselektronen aufgrund magnetischer Schwingungen entscheidend ist. Auch dies konnte durch die? experimentellen Resultate best?tigt werden.

Das hei?t, der beobachtete Effekt l?sst sich nur durch die Modifizierung der untersuchten Heusler-Verbindung an der Grenzfl?che zum Spinstrom-Injektor Yttrium-Eisen-Granat erkl?ren. Auch wenn detaillierte mikroskopische Berechnungen noch ausstehen, ergeben sich wichtige Hinweise für den Mechanismus der Spin-Ladungs-Konversion, die auch für andere ferromagnetische Materialien – sowie für potenzielle Anwendungen – von Bedeutung sein dürften.

Originalpublikation:
Z. Wen, Z. Qiu, S. T?lle, C. Gorini, T. Seki, D. Hou, T. Kubota, U. Eckern, E. Saitoh, K. Takanashi, "Spin-charge conversion in NiMnSb Heusler alloy films“, Science Advances (2019).
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw9337

Prof. Dr. Ulrich Eckern
Lehrstuhl für Theoretische Physik II
Universit?t Augsburg
Telefon: +49 (0)821 598 3236
E-Mail: ulrich.eckern@physik.uni-augsburg.de

Dr. Cosimo Gorini
Institut für Theoretische Physik
Universit?t Regensburg
Telefon: 0941 943-2027
E-Mail: cosimo.gorini@ur.de