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Antiferromagnetische Domänen abgebildet

Magneto-Seebeck-Mikroskopie erlaubt Einblick in Schaltvorgänge

PTBnews 3.2021
27.09.2021
Besonders interessant für

Materialwissenschaften

Anwendungen in der Spintronik

Antiferromagnetische Materialien sind im Inneren zwar magnetisch, jedoch wechselt die Richtung ihrer geordneten mikroskopischen Momente zwischen einzelnen Elementarmagneten. Darum gibt es kein magnetisches Nettomoment. Mittels Magneto-Seebeck-Mikroskopie wurde der magnetische Zustand eines Antiferromagneten messbar gemacht, um ihn für Anwendungen z. B. in der Spintronik nutzen zu können.

Prinzip der Magneto-Seebeck-Mikroskopie: Eine AFM-Spitze wird über die Oberfläche bewegt und koppelt IR-Strahlung in die CuMnAs-Schicht. Dort entsteht ein heißer Punkt und eine messbare Spannung an den Kontakten, die als Funktion des Ortes aufgezeichnet wird und für die jeweilige Domänenorientierung charakteristisch ist.

Ein Meilenstein für die Anwendung von Antiferromagneten in der Spintronik, z. B. für extrem schnelle Speicherbau- steine, war die Erkenntnis, dass auch in antiferromagnetischen Materialien die Elementarmagnete mit einem aufgeprägten elektrischen Strom geschaltet werden können. Die antiferromag- netische Ordnung ist durch die Bildung von Domänen gekennzeichnet, die eine bestimmte magnetische Orientierung der Elementarmagnete und einen von der Magnetisierungsrichtung ab- hängigen Magneto-Seebeck-Koeffizienten besitzen.

In einer Zusammenarbeit mit der Universität Regensburg wurde eine Methode entwickelt, die Aufschluss über die lokale Anordnung der Domänen gibt. So konnte zum ersten Mal das Schalten der Domänen durch Strompulse im für Anwendungen besonders relevanten Materialsystem CuMnAs analysiert werden. Die Methode basiert auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM): Zur Messung der antiferromagnetischen Ordnung wird eine metallbeschichtete AFM-Spitze mit einem Infrarotlaser bestrahlt und so ein sehr starker lokaler Wärmegradient erzeugt. An diesem heißen Punkt entsteht in der Probe eine vom Material, der Temperatur und der Magnetisierung abhängige Spannung (Magneto-Seebeck-Effekt), welche dann gemessen wird. Wird die Spitze über einen Bereich bewegt, in dem eine Domäne ihre Ausrichtung ändert, spiegelt sich dies in der aufgezeichneten Spannung wider. Auf diese Weise kann die Magneto-Seebeck-Mikroskopie die antiferromagnetische Ordnung charakterisieren. Mit diesem Verfahren wurden die magnetischen Domänen in einer 20 Nanometer dünnen antiferromagnetischen Schicht aus CuMnAs sowie deren Manipulation durch Stromimpulse abgebildet.

Dieses neue Verfahren zur räumlich hochauflösenden Abbildung antiferromagnetischer Domänen wird ein wichtiges Instrument für zukünftige Untersuchungen zu den physikalischen Grundlagen neuartiger Schaltmechanismen sein, die wichtige Bausteine im aufstrebenden Gebiet der antiferromagnetischen Spintronik darstellen.

Ansprechpartner

Bernd Kästner
Fachbereich 7.1
Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7104
Opens local program for sending emailbernd.kaestner(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

T. Janda, J. Godinho, T. Ostatnicky et al.: Magneto-Seebeck microscopy of domain switching in collinear antiferromagnet CuMnAs. Phys. Rev. Mater. 4, 94413 (2020)
Opens external link in new windowDOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.094413.