Tunnel für Cooperpaare

Dünnschichtsysteme mit MARIA Maria ist ein Neutronen-Reflektometer mit Polarisationsanalyse, das spezialisiert ist auf die Untersuchung von dünnen magnetischen Schichten. Maria kann bei tiefen Temperaturen und unter magnetischen Feldern betrieben werden und zusätzlich mit einer Molecular-Beam-Epitaxy-Anlage wie bei diesem Experiment benutzt werden. © W. Schürmann / TUM

Maria ist ein Neutronen-Reflektometer mit Polarisationsanalyse, das spezialisiert ist auf die Untersuchung von dünnen magnetischen Schichten. Maria kann bei tiefen Temperaturen und unter magnetischen Feldern betrieben werden und zusätzlich mit einer Molecular-Beam-Epitaxy-Anlage wie bei diesem Experiment benutzt werden. © W. Schürmann / TUM

Dünnschicht-Systeme mit kontrollierter Schnittstellen sind sehr interessant, da sie Anlass zu exotischen physikalischen Phänomene geben und neue Funktionalitäten. . Bei einer Kopplung zwischen supraleitenden und ferromagnetischen Zuständen in Hybrid-Oxid-Heterostrukturen entsteht allerdings keine Synergie, weil das magnetische Wechselfeld in einem Ferromagneten aus Elektronen mit parallelem Spin besteht und die Supraleitung darauf beruht, dass Cooperpaare mit gegensätzlichen Elektronenspins ausgebildet werden. Eine Kombination aus beiden gelingt nur in einem Schichtsystem, wobei der Supraleiter die ferromagnetische Ordnung über eine magnetisch “tote“ Schicht beeinflusst (bekannt als so genannter “Proximity-Effekt”). Weltweit haben Wissenschaftler eine Reihe exotischer Phänomene in solchen Schichtsystemen beobachtet. Bis jetzt hat aber noch niemand untersucht, was passiert, wenn zwischen diesen beiden Schichten ein Isolatormaterial eingebaut wird.

Dieser Frage hat sich ein Team aus Physikern des Bhabha Atomic Research Center (BARC) Mumbai, der Technischen Universität München in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich gestellt. Dazu haben sie zwischen eine supraleitende Schicht und eine ferromagnetische Schicht eine dünne Schicht aus SrTiO₃ als Isolator angebracht und dieses Dreilagensystem untersucht. Die Neutronenreflektometrie-Messungen wurden am Instrument MARIA des Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) durchgeführt, das besonders geeignet ist, dünne, vergrabene magnetische Schichten mit polarisierten Neutronen zu untersuchen.

Grafik-A. Paul © Amitesh Paul

© Amitesh Paul

Das Wissenschaftlerteam stellte Überraschendes fest: Auch über die isolierende Oxidschicht hinweg beeinflusst der Supraleiter die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht. Sie haben beobachten können, dass an der Grenzfläche eine Schicht mit geringerer Magnetisierung entsteht. Je dünner die Isolatorschicht, desto dicker ist diese magnetisch verarmte Schicht. Aus diesem Ergebnis schließen die Wissenschaftler ganz klar, dass es den Cooperpaaren des Supraleiters gelingt, durch diese Oxidschicht zu tunneln. Nur so lässt sich diese neue Schicht mit geringerer Magnetisierung auf der Seite des Ferromagneten erklären. Amitesh Paul, einer der einer der Koordinatoren des Projekts am MLZ, der auch die Experimente durchgeführt hat, ist begeistert von diesem Ergebnis: „Wir sind einen großen Schritt weiter in der Erforschung der supraleitenden Ordnungsparameter des „Tunnelns“ und der magnetischen Modulation in dieser Hybrid-Heterostrukturen. Zukünftig kann man mit besseren Bildgebungsverfahren in Kombination mit Streutechniken noch tiefer in die Untersuchung einsteigen“.