Nanoblick in magnetische Strukturen

Eine neuartige Methode erlaubt es, magnetische Nano­strukturen mit einer hohen Auflösung zu untersuchen. Entwickelt wurde sie von Forschenden der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg MLU und des Max-Planck-Instituts für Mikrostruktur­physik in Halle. Die neue Methode erreicht eine Auflösung von rund siebzig Nanometern, normale Licht­mikroskope gerade einmal 500 Nanometer. Das Ergebnis ist eine wichtig für die Entwicklung neuer, energie­effizienter Speicher­technologien auf Grundlage der Spin-Elektronik. 

Die neue Methode überwindet die Auflösungsgrenze von Licht­mikroskopen, indem sie den anomalen Nernst-Effekt (ANE) nutzt. So lässt sich in einem magne­tischen Metall eine elektrische Spannung erzeugen, die senkrecht zur Magnetisierung und einem Temperatur­gefälle steht. „Ein Laserstrahl fokussiert auf die Spitze eines Kraftmikroskops und verursacht so an der Oberfläche der Probe ein räumlich auf die Nanoskala beschränktes Temperatur­gefälle“, sagt Georg Woltersdorf vom Institut für Physik. „Diese schwebende metallische Spitze wirkt wie eine Antenne und konzentriert das elektro­magnetische Feld in einem winzigen Bereich.“ Damit werden ANE-Messungen mit einer viel besseren Auflösung möglich, als es die herkömmliche Licht­mikroskopie erlaubt. Die veröffentlichten mikro­skopischen Aufnahmen des Forscherteams erreichen eine Auflösung von rund siebzig Nanometern.

Bisherige Studien untersuchten magnetische Strukturen mit magnetischer Polarisation in der Ebene und haben den nur das senkrechte Temperatur­gefälle betrachtet. Um die magnetische Polarisation senkrecht zur Ebene messen zu können, muss aber auch das Temperatur­gefälle in der Probenebene betrachtet werden, so das Forscherteam. Um diese Lücke zu schließen und die Zuverlässig­keit der ANE-Methode bei der Darstellung von magnetischen Strukturen im Nanometer­bereich zu demonstrieren, nutzten die Forschenden den Kern eines magnetischen Wirbels als bekannte magnetische Struktur.

Ein besonderer Vorteil der neuen Technik ist, dass sie auch bei antiferro­magnetischen Materialien mit chiraler Struktur funktioniert. „Unsere Erkenntnisse sind bedeutsam für die thermo­elektrische Bildgebung von spin­tronischen Bauelementen. Das haben wir auch bereits an chiralen Antiferro­magneten nachgewiesen“, sagt Woltersdorf. „Mit unserer neuen Technik schlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe. Zum einen haben wir die Orts­auflösung für magnetischer Strukturen stark verbessert, weit über die Möglichkeiten optischer Methoden hinaus. Zum anderen ist sie auch anwendbar auf chirale antiferro­magnetische Systeme, was direkt unserem geplanten Exzellenz­cluster Center for Chiral Electronics zugute­kommt“, sagt er. Gemeinsam mit der Freien Universität Berlin, der Universität Regensburg und dem Max-Planck-Institut für Mikrostruktur­physik in Halle bewirbt sich die MLU um eine Förderung im Rahmen der Exzellenz­strategie. Ziel der Forschung ist es, die Grundlagen für neue Konzepte für die Elektronik der Zukunft zu legen.

MLU Halle / JOL