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Magnetischer Nanoschalter für Thermospannungen

Besonders interessant für:
  • Grundlagenforschung
  • magnetische Datenspeicherung
  • Hersteller von hochintegrierten Schaltungen

Die Wärme, die in winzigen Computerprozessoren entsteht, könnte in Zukunft dazu genutzt werden, um eben diese Prozessoren leichter zu schalten oder um Daten effi zienter zu speichern. Das sind zwei der möglichen Anwendungen einer Entdeckung aus der PTB, der sogenannten Tunnel-Magneto-Thermospannung. Sie dürfte vor allem für den Einsatz von nanoelektronischen Schaltungen, also kleinen Bauteilen auf der Basis von magnetischen Tunnelstrukturen, interessant sein.

Magnetische Tunnelstruktur, bestehend aus zwei magnetischen Schichten (rot, blau), getrennt durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht (grau), die sogenannte Tunnelbarriere. Thermospannung VTh als Ergebnis eines Temperaturgradienten ΔT.

Magnetische Tunnelstrukturen dienen bereits jetzt als Speicherzellen in nichtflüchtigen magnetischen Speicherchips (sogenannten MRAM, magnetic random access memories) oder als hochempfindliche Sensoren zum Auslesen der auf Festplatten gespeicherten Daten. Der in der PTB im Rahmen einer Forschungskooperation mit der Universität Bielefeld und der Firma Singulus entdeckte Effekt könnte eine neue Anwendung hinzufügen: die Kontrolle und Steuerung von thermischen Spannungen und Strömen in hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen.

Magnetische Tunnelstrukturen bestehen aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne  Isolationsschicht, die sogenannte Tunnelbarriere, voneinander getrennt sind. Die magnetische Orientierung der beiden Schichten in der Tunnelstruktur hat einen großen Einfl uss auf ihre elektrischen Eigenschaften: Sind die magnetischen Momente der beiden Schichten  parallel ausgerichtet, dann ist der Widerstand niedrig; sind sie entgegengesetzt, ist er hoch. Die Widerstandsänderung beim Umschalten der Magnetisierung kann dabei deutlich über 100 % betragen. So lässt sich über das Schalten der Magnetisierung der elektrische Stromfluss durch die magnetische Tunnelstruktur effizient kontrollieren.

Die Arbeiten aus der PTB zeigen, dass neben dem elektrischen auch der thermische Strom durch die Tunnelstruktur über das Schalten der Magnetisierung beeinflusst werden kann. In den Experimenten wurde ein Temperaturunterschied zwischen den beiden magnetischen Schichten erzeugt und die dadurch entstehende elektrische Spannung, die sogenannte Thermospannung, untersucht. Es zeigte sich, dass die Thermospannung fast genauso stark von der magnetischen Orientierung der beiden Schichten abhängt wie der elektrische Widerstand.
Durch das Schalten der Magnetisierung können also die Thermospannung und letztendlich auch der thermische Strom durch die Probe kontrolliert werden.

Zukünftige Anwendungen dieses Effekts ergeben sich z. B. in der Nutzung und gezielten Energieumwandlung von Abwärme in integrierten Schaltkreisen. Die Entdeckung dieser sogenannten Tunnel-Magneto-Thermospannung ist ein Meilenstein im sich rapide entwickelnden Forschungsgebiet „Spinkalorik“, das auch von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in einem Schwerpunktprogramm über sechs Jahre gefördert wird.

Ansprechpartner:

Hans Werner Schumacher
Fachbereich 2.5 Halbleiterphysik und
Magnetismus
Tel. (0531) 592-2500
E-Mail: hans.w.schumacher(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Liebing, N.; Serrano-Guisan, S.; Rott, K.; Reiss, G.; Langer, J.; Ocker, B.; Schumacher, H.W.: Tunneling magneto power in magnetic tunnel junction nanopillars. Physical Review Letters 107 (2011) 177201