Physiker finden neue Erklärung für Schlüsselexperiment (Nr. 132/2015)

Forschende der Universität Bielefeld veröffentlichen Ergebnisse und wenden Messmethode erstmals in der Spin Kaloritronik an

Ein Experiment an der Tohoku Universität (Japan) hat 2008 den Grundstein gelegt für das Forschungsgebiet „Spin Kaloritronik“, das eine effektivere und energiesparende Datenverarbeitung in der Informationstechnologie zum Ziel hat. Viele neue spinkalorische Effekte wurden seitdem erforscht, das japanische Schlüsselexperiment konnte aber nicht wiederholt werden. Forschende der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld haben dafür jetzt eine Erklärung gefunden. Ihre Ergebnisse haben sie im Magazin Nature Communications veröffentlicht. Mit einer neu angewandten Messmethode an Großforschungseinrichtungen haben sie außerdem das experimentelle Repertoire in der Spin Kaloritronik erweitert. Nachzulesen sind die Ergebnisse in der Zeitschrift Physical Review Letters.  

Neben der elektrischen Ladung besitzen Elektronen einen Eigendrehimpuls, der Elektronenspin genannt wird. Der Spin eines Elektrons erzeugt ein magnetisches Moment und beeinflusst den Spin der benachbarten Elektronen in einem Festkörper. In bestimmten Materialien können so magnetische Signale durch einen Festkörper geschickt werden, ohne dass sich die Elektronen selber bewegen. Weil hier keine elektrische Ladung wie beim elektrischen Strom transportiert, sondern der Spin als Information weitergegeben wird, nennt man den Vorgang Spinstrom. „Da die Elektronen sich nicht selber bewegen, entsteht bei der Signalweitergabe weniger Wärme – das ist ein Vorteil gegenüber elektrischem Strom“, sagt Daniel Meier, Doktorand in der Arbeitsgruppe „Dünne Schichten und Physik der Nanostrukturen“ von Professor Dr. Günter Reiss.

Die Bielefelder Wissenschaftler erzeugen reine Spinströme in magnetischen Materialien, die keinen elektrischen Strom leiten - sogenannte magnetische Isolatoren. Sie nutzen dazu dünne magnetische Schichten aus Nickelferrit oder Eisengranat. „Genauso wie man in elektrisch leitenden Materialien mit elektrischem Strom eine elektrische Spannung aufbauen kann, lässt  sich in magnetischen Isolatoren mit einem Spinstrom eine Spinspannung aufbauen, die sogenannte Spinakkumulation“, beschreibt Dr. Timo Kuschel die Parallele zwischen der klassischen Elektronik und der Spintronik. Kuschel leitet den Bereich Spin Kaloritronik in der Gruppe von Günter Reiss. Das Team hat in ihrem Experiment nun gezeigt, dass zwar thermische Spinströme durch Temperaturunterschiede erzeugt werden, Erklärung und Effekt dafür aber andere sind, als ursprünglich vermutet. „Allerdings ist der wahre Effekt ein sehr effektives Mittel, um thermische Spinströme zu erzeugen. Wir sind unseren japanischen Kollegen deshalb natürlich trotzdem dankbar für ihre Forschung, die weltweit das Gebiet der Spin Kaloritronik erst ins Rollen gebracht hat“, sagt Günter Reiss. Die Bielefelder Forscher kooperieren bei den Experimenten mit der Universität Regensburg, dem Walther-Meissner-Institut in Garching und dem Center for Materials for Information Technology in Alabama (USA).

Daneben beschäftigen sich die Forscher auch mit dem Nachweis von Spinakkumulationen und nutzen dazu Großforschungseinrichtungen wie das DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg. „Die Röntgenstrahlung, die in diesen Elektronenspeicherringen erzeugt wird, ist um ein Vielfaches intensiver als die Röntgenquellen im Universitätslabor oder im Krankenhaus“, sagt Christoph Klewe, dessen Promotionsthema die Spinakkumulation in Doppellagen aus Platin und magnetischen Isolatoren ist.  Bisherige Experimente mit Röntgenstrahlung zum Nachweis von Spinakkumulationen waren nicht eindeutig. Darum haben die Physiker aus Bielefeld nach einer eindeutigen Messmethode gesucht. „Mit der magnetischen Röntgenreflektometrie haben wir eine Methode gefunden, die uns auch noch zusätzliche Informationen gegenüber den bisherigen Methoden liefern kann“, betont Timo Kuschel. „Die magnetische Röntgenreflektometrie ist eine recht junge Methode und wurde bisher im Bereich der Spin Kaloritronik noch nicht eingesetzt.“ Einen wissenschaftlichen Artikel dazu haben die Bielefelder in Kooperation mit der Universität Osnabrück in Physical Review Letters veröffentlicht.

„Die Erkenntnisse sorgen für weiteren Diskussions- und Forschungsbedarf im Bereich der Spin Kaloritronik“, ist sich Timo Kuschel sicher. Zusammen mit Dr. Andy Thomas und Dr. Jan-Michael Schmalhorst hat das Team im vergangenen Jahr 800.000 Euro Fördermittel in vier Projekten des Schwerpunktprogramms „Spin Caloric Transport“ (SpinCaT) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingeworben. Die neuen Erkenntnisse stützen die Forschung im SpinCaT-Schwerpunkt, den es seit 2011 in Deutschland gibt und der 2014 um weitere drei Jahre verlängert wurde.

Originalveröffentlichungen:
D. Meier, D. Reinhardt, M. van Straaten, C. Klewe, M. Althammer, M. Schreier, S.T.B. Goennenwein, A. Gupta, M. Schmid, C.H. Back, J.-M. Schmalhorst, T. Kuschel, G. Reiss: Longitudinal spin Seebeck effect contribution in transverse spin Seebeck effect experiments in Pt/YIG and Pt/NFO, Nature Communications 6, 9211 (2015), DOI: 10.1038/ncomms9211

T. Kuschel, C. Klewe, J.-M. Schmalhorst, F. Bertram, O. Kuschel, T. Schemme, J. Wollschläger, S. Francoual, J. Strempfer, A. Gupta, M. Meinert, G. Götz, D. Meier, G. Reiss: Static proximity effect in Pt/NiFe2O4 and Pt/Fe bilayers investigated by x-ray resonant magnetic reflectivity, Physical Review Letters 115, 097401 (2015)¸ dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.097401

Weitere Informationen im Internet:
www.spinelectronics.de
www.spincat.info

Kontakt:
Prof. Dr. Günter Reiss, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5411
E-Mail: reiss@physik.uni-bielefeld.de

Dr. Timo Kuschel, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5423
E-Mail: tkuschel@physik.uni-bielefeld.de