Ultraschnelle Terahertz-Spektroskopie in Riesenmagnetowiderstandssystemen Terahertz-Spektroskopie ermöglicht Messung von grundlegenden Faktoren des Magnetotransports – Basis fortschrittlicher Nanoelektronik
Die Zukunftstechnologie Spintronik verfügt ab sofort über ein neues, hocheffektives Untersuchungsinstrument: Physiker aus Mainz und Berlin haben die ultraschnelle Terahertz-Spektroskopie eingesetzt, um elementare Eigenschaften von spintronischen Bauelementen zu untersuchen – mit Erfolg.
„Wir bekommen damit einen direkten Zugang zu den absolut grundlegenden Elementen des Magnetotransports“, teilte Prof. Dr. Mathias Kläui vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) mit. Die Spintronik nutzt nicht nur die Ladung der Elektronen für die Informationsverarbeitung, sondern zusätzlich auch deren Spin, also das magnetische Moment der Elektronen. Spintronik kommt bereits jetzt in Festplattenleseköpfen und Sensoren, beispielsweise in der Automobilindustrie, zum Einsatz, und bietet ein großes Potenzial für nicht-flüchtige Speicher.
Grundlage für viele Spintronik-Anwendungen ist der Riesenmagnetowiderstand oder GMR-Effekt, der in den 1980er Jahren entdeckt wurde. Seine Entdecker, Albert Fert und Peter Grünberg, erhielten 2007 dafür den Physik-Nobelpreis. Der GMR-Effekt funktioniert wie eine Art Magnetsensor, der in Abhängigkeit von der magnetischen Ausrichtung der einzelnen dünnen Schichten des Materials seinen Widerstand ändert. Je nachdem kommt es zu einer Streuung der Elektronen, deren Auswirkungen man im Widerstand sieht, die aber mit den herkömmlichen experimentellen Methoden bislang nicht präzise zu bestimmen war. Die Schwierigkeit liegt vor allem in der extrem kurzen Zeitspanne, in der die Effekte ablaufen. Die Elektronenstreuereignisse erfolgen auf einer Zeitskala unter 100 Femtosekunden, wobei eine Femtosekunde der billiardste Teil einer Sekunde ist.
In einer Kooperation der Arbeitsgruppen von Mathias Kläui an der JGU und Dmitry Turchinovich am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz (MPIP), an der sich auch Forscher der Mainzer Firma Sensitec GmbH und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin beteiligten, wurde die Herausforderung nun mithilfe der Terahertz-Spektroskopie, auch Submillimeterwellen-Spektroskopie genannt, gelöst. Die Wissenschaftler konnten mit dieser Methode den Magnetotransport in einer ferromagnetischen Struktur direkt beobachten und die relevanten Parameter präzise und eindeutig bestimmen: die spinabhängigen Ladungsträgerdichten und die spinabhängigen Streuzeiten der Leitungselektronen.
„Die Terahertz-Spektroskopie wird häufig für Materialprüfungen eingesetzt. Wir haben nun gezeigt, dass diese Methode auch auf den Magnetotransport anzuwenden ist“, so Prof. Dr. Dmitry Turchinovich, Leiter der Forschungsgruppe „Ultrafast Dynamics and Terahertz Spectroscopy“ am MPIP und Mitglied der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ). „Damit haben wir das sogenannte Mott-Modell von 1936, das den Elektronentransport in ferromagnetischen Metallen beschreibt, erstmals experimentell bestätigt.“
Über diesen Link gelangt man zur Nature Physics Veröffentlichung (doi:10.1038/nphys3384)