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Meilenstein für Nanoelektronik: Hall-Effekt in Antiferromagneten entdeckt

Redakteur: Michael Eckstein

Laut gängiger Lehrmeinung dürfte es das nicht geben: Ein junger Physiker hat den Hall-Effekt in antiferromagnetischem Material nachgewiesen. Seine Entdeckung öffnet der dissipationslosen Nanoelektronik beziehungsweise Spintronik neue Möglichkeiten.

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Abgelenkt: Elektronen (graue Wellenpakete) in antiferromagnetischen (links) und nichtmagnetischen (Mitte) Kristallen bewegen sich entlang des angelegten elektrischen Stroms. Die Kombination von antiferromagnetischen und nichtmagnetischen Atomen (rechts) erzeugt eine transversale Hall-Bewegung des Elektrons. Im linken und rechten Bereich markieren die blauen und roten Schattierungen die positiven und negativen Magnetisierungsdichten.
Abgelenkt: Elektronen (graue Wellenpakete) in antiferromagnetischen (links) und nichtmagnetischen (Mitte) Kristallen bewegen sich entlang des angelegten elektrischen Stroms. Die Kombination von antiferromagnetischen und nichtmagnetischen Atomen (rechts) erzeugt eine transversale Hall-Bewegung des Elektrons. Im linken und rechten Bereich markieren die blauen und roten Schattierungen die positiven und negativen Magnetisierungsdichten.
(Bild: Libor Šmejkal)

Mitunter rufen Kombinationen verschiedener Dinge Effekte hervor, mit denen niemand rechnet: Etwa, wenn plötzlich ganz neue Eigenschaften nachweisbar sind, die die beiden kombinierten Teile jedes für sich nicht haben. Besonders spannend wird es, wenn es eben diese Eigenschaften gängigen Theorien nach eigentlich gar nicht geben dürfte.

Genau solch einen Effekt – vergleichbar mit einem Sechser im Lotto – konnte Dr. Libor Šmejkal von der Johannes Gutenberg Universität Mainz (JGU) nachweisen. Er kombinierte antiferromagnetische Stoffe mit unmagnetischen Atomen – und stellte fest, dass entgegen der Lehrmeinung ein Hall-Strom auftritt, was einzeln weder bei antiferromagnetischen noch bei unmagnetischen Stoffen der Fall ist.

Nachhaltigere Nanoelektronik ohne Nachschubsorgen

Was sich zunächst liest wie Grundlagenforschung ohne praktischen Bezug, hat das Potenzial, die Nanoelektronik zu revolutionieren. Erstens gibt es diese Materialkombinationen in der Natur sehr häufig – die Entdeckung könnte die wachsende Nachfrage in der konventionellen Magnetelektronik nach seltenen schweren Elementen obsolet machen und stattdessen die Forschung und Anwendungen auf reichlich vorhandene Materialien lenken.

Zweitens weist der Hall-Strom eine geringe Energiedissipation auf. Dies ist wichtig vor dem Hintergrund, dass Informationstechnologien bereits heute zu den größten Energieverbrauchern zählen, und ihr Anteil auch in der Industrie rasant zunimmt.

Kein äußeres Magnetfeld: Extrem hohe Packungsdichte von Nanoelektronik möglich

Hinzu kommt: Da die Kombi-Materialien nach außen hin kein Magnetfeld aufweisen, also magnetisch unsichtbar sind, können sie sehr dicht gepackt werden und erlauben einen hohen Miniaturisierungsgrad von Nanoelektronik. Auch hinsichtlich der Geschwindigkeit punkten diese neu entdeckten Materialien: Während herkömmliche Ferromagneten Frequenzen bis in den Gigahertzbereich zulassen, erlauben die Antiferromagneten eine Nutzung bis in den Terahertzbereich hinein.

Kurzum: Die Entdeckung hat einen besonderen Platz auf dem schnell wachsenden neuen Gebiet der antiferromagnetischen Magneto-Elektronik, der Spintronik. Die Ergebnisse hat Libor Šmejkal mit seinen Kollegen von der JGU in einem Artikel für das „Science Advances“-Magazin veröffentlicht, einer begutachteten wissenschaftlichen Fachzeitschrift, die von der American Association for the Advancement of Science mit freiem Zugang herausgegeben wird.

Was ist der Hall-Strom?

Der nach dem Forscher Edwin Hall benannte Hall-Effekt ist essenziell für die Forschungsarbeit von Šmejkal: Legt man an herkömmliche nichtmagnetische Leiter wie Kupfer eine Spannung an, so fließt der Strom in die Richtung, die durch das elektrische Feld vorgegeben ist. Liegt der Leiter in einem stationären externen Magnetfeld, „biegt“ sich der Strom von der durch das elektrische Feld vorgegeben Richtung weg – es kommt also eine zusätzliche Querablenkung als Komponente dazu, der sogenannte Hall-Strom. Die Hall-Spannung fällt dabei senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung am Leiter ab.

Dieser Hall-Effekt dient der Charakterisierung von Halbleitern, die die moderne Siliziumelektronik prägen. Halls zweite Entdeckung: Auch die interne Magnetisierung eines ferromagnetischen Leiters wie Eisen kann zu einer solchen Querstromablenkung führen. Dies machte den Hall-Effekt zu einem Eckpfeiler der Magneto-Elektronik – einem breiten Feld, dessen Spektrum von Sensor- bis zu Speichertechnologien reicht.

Louis Eugène Felix Néel wird die Entdeckung von Antiferromagneten zugeschrieben. Trotz ihres Namens kommen sie in der Natur viel häufiger vor als Ferromagneten. In den Antiferromagneten sind die magnetischen Momente der Atome entgegengesetzt ausgerichtet. Die Effekte, die in diesen Magneten beobachtet werden, heben sich daher gegenseitig auf – so auch der Hall-Strom. Die Antiferromagneten verhalten sich nach außen hin also wie die normale nichtmagnetischen Leiter und sind damit für die Magneto-Elektronik nicht geeignet.

Ungewöhnlicher Effekt: Hall-Strom in Antiferromagneten

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass nichtmagnetische und antiferromagnetische Kristalle keine Hall-Ströme aufweisen. Libor Šmejkal hat nun jedoch einen Kristall entdeckt, der aus einer faszinierenden Kombination von nichtmagnetischen und antiferromagnetischen Atomen besteht – und einen starken Hall-Strom erzeugt. Bemerkenswerterweise sind Kristalle mit antiferromagnetischen und nichtmagnetischen Atomen keine Seltenheit in der Natur, sondern weit verbreitet.

Für seinen Entdeckung erntet der Forscher Lob vom Direktor der Forschungsgruppe Prof. Dr. Jairo Sinova: „Um mit der konventionellen wissenschaftlichen Weisheit zu brechen, sind außergewöhnliche Talente und Fähigkeiten erforderlich“, sagt der. Libor Šmejkal sei ein solches Talent für den Bereich Physik und genieße bereits als frisch promovierter Absolvent den Ruf einer international führenden Persönlichkeit auf seinem Gebiet.

Libor Šmejkal hat seine Doktorarbeit vor einigen Monaten abgeschlossen, Vorträge auf internationalen Konferenzen gehalten und seine Arbeiten in hochrangigen Zeitschriften publiziert. Unmittelbar nach der Promotion übernahm Libor Šmejkal die Position eines unabhängigen Teamleiters in der Gruppe INSPIRE an der JGU.

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