Magnetische Materialien für die Elektronik der nächsten Generation

Ein internationales Team, darunter Yishui Zhou, Dr. Yixi Su und weitere Forschende vom Jülich Centre for Neutron Sciences am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), hat bedeutende Fortschritte bei magnetischen Materialien erzielt, die ein großes Potenzial für zukünftige Elektronik- und Quantentechnologien haben. Eine Studie befasst sich mit einem chiralen antiferromagnetischen Halbleiter, während eine andere eine Familie topologischer Metalle mit einer komplexen, gewebeartigen Atomstruktur untersucht.

Happy team Ein zufriedenes Team vom Jülich Centre for Neutron Science am MLZ nach einem erfolgreichen Experiment am Institut Laue-Langevin in Frankreich (Yishui Zhou (Mitte), Chun-Hao Huang (links) und Po-Chun Chang (rechts)). © Yixi Su / JCNS

Ein zufriedenes Team vom Jülich Centre for Neutron Science am MLZ nach einem erfolgreichen Experiment am Institut Laue-Langevin in Frankreich (Yishui Zhou (Mitte), Chun-Hao Huang (links) und Po-Chun Chang (rechts)). © Yixi Su / JCNS

Das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am MLZ in Garching lieferte die Probensynthese und die Laborcharakterisierung (Einkristall-Wachstum, Einkristall-XRD, EDX und vorläufige Transportmessungen), während Neutronenexperimente am ILL, PSI und ANSTO durchgeführt wurden. Zusammen zeigen die Ergebnisse, wie unkonventionelle magnetische Texturen und topologische Effekte für Anwendungen der nächsten Generation nutzbar gemacht werden könnten.

Topologie-gestützte Speicherperspektiven

In einer Studie am chiralen antiferromagnetischen Halbleiter EuIr₂P₂ entdeckten die Forschenden einen außergewöhnlich großen topologischen Halleffekt (THE). Der THE tritt auf, wenn Elektronen zusätzlich zur Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld von einem emergenten Magnetfeld beeinflusst werden, das durch wirbelartige, nicht-koplanare Anordnungen atomarer Spins entsteht. Dieser Effekt tritt auch häufig in magnetischen Skyrmionen-Materialien auf, in denen winzige, stabile magnetische Wirbel mit minimalem Energieaufwand manipuliert werden können. Skyrmionen gelten als vielversprechend für zukünftige Datenspeichertechnologien, da sie Speicher mit einer extrem hohen Datendichte und zugleich geringem Energieverbrauch ermöglichen.

XRD Labor Bild Die Charakterisierung der Proben erfolgte am Einkristall-Röntgendiffraktometer vom JCNS am MLZ. © FRM II / TUM

Die Charakterisierung der Proben erfolgte am Einkristall-Röntgendiffraktometer vom JCNS am MLZ. © FRM II / TUM

Die Autoren weisen darauf hin, dass die Ergebnisse zwar auf nichtkoplanare magnetische Texturen als wahrscheinliche Ursache für den THE hindeuten, jedoch keine eindeutige Identifizierung von Skyrmionen in EuIr₂P₂ ermöglichen. Bevor eine definitive Aussage zu Skyrmionen getroffen werden kann, sind weitere mikroskopische Untersuchungen erforderlich. Nichtsdestotrotz zeigt der große THE vielversprechende Wege für von Skyrmionen inspirierte oder andere topologie-basierte Speicherkonzepte auf, sobald die zugrundeliegende Textur bestätigt ist.

Antiferromagnetische Spintronik

Die zweite Studie zu RV₆Sn₆-Verbindungen bietet Einblicke in ein weiteres aufstrebendes Gebiet: die antiferromagnetische Spintronik. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ferromagneten haben antiferromagnetische Materialien magnetische Momente, die sich abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen ausrichten, wodurch sie außergewöhnlich schnell und widerstandsfähig gegenüber externen Magnetfeldern sind. Die RV₆Sn₆-Materialien weisen je nach verwendetem Seltenerdelement unterschiedliche magnetische Ordnungen auf – einige zeigen eine ferromagnetische Ausrichtung, während andere, wie ErV₆Sn₆, eine antiferromagnetische Ordnung aufweisen. Diese Eigenschaften machen sie zu idealen Kandidaten für elektronische Geräte der nächsten Generation, die schnelle Schaltgeschwindigkeiten und robuste Leistung unter verschiedenen Bedingungen erfordern.

YixiSu Bild komprimiert Dr. Yixi Su von dem Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am MLZ hat zu beiden Studien beigetragen. © FRM II

Dr. Yixi Su von dem Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am MLZ hat zu beiden Studien beigetragen. © FRM II

Verbesserte Magnetfeldsensoren

Der außergewöhnlich große THE, der in EuIr₂P₂ gemessen wurde, eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die Entwicklung hochempfindlicher Magnetfeldsensoren. Solche Sensoren könnten winzige Veränderungen in Magnetfeldern mit weitaus größerer Präzision erkennen, als es mit aktuellen Technologien möglich ist. Das hat erhebliche Auswirkungen auf die medizinische Bildgebung, wo verbesserte Magnetfeldsensoren hochauflösendere Aufnahmen ermöglichen könnten, sowie auf industrielle und navigationsbezogene Anwendungen, die präzise Magnetfeldmessungen erfordern.

Eine vielversprechende Zukunft

Zusammen vertiefen diese Studien nicht nur unser Verständnis komplexer magnetischer Wechselwirkungen, sondern zeigen auch praktische Wege für die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer und quantenbasierter Geräte auf. Die Erkenntnisse aus skyrmionbasierten Phänomenen und der antiferromagnetischen Spintronik bergen das Potenzial, Innovationen in den Bereichen hochdichte Datenspeicherung, energieeffiziente Elektronik und hochempfindliche Magnetsensoren voranzutreiben. Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt hin zur Integration topologischer und magnetischer Eigenschaften in praktische Technologien, die unsere digitale Zukunft neu gestalten könnten.