Mehr Datendichte durch tunnelnde Elektronen

Halle – Ein Ziel von modernen Datenspeichern ist, viele Informationen auf kleinem Raum zu speichern. Wie sich das erreichen lässt, dazu haben Wissenschaftler nun eine weitere Möglichkeit gefunden: Es gelang ihnen, mit elektrischen Pulsen nicht nur die elektrischen sondern auch die magnetischen Transporteigenschaften eines Materialsandwichs zu beeinflussen. Mit dieser Methode lassen sich Informationen in vier statt nur zwei Zuständen eines Speicherpunktes ablegen. Außerdem bietet sie einen Weg, Elektronen mit unterschiedlichen Spins effektiv zu filtern – und könnte damit die Spintronik voranbringen.

geschichtetes Material, die Unterlage bildet eine dicke orangefarbene Schicht, darüber eine dünnere grüne Schicht, ganz oben eine blaue Schicht mit gelben Dreiecken.
Multiferroisches Materialsandwich

Um den Effekt zu erreichen, stellten Dietrich Hesse und Marin Alexe vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle einen multiferroischen Materialstapel her, bei dem zwei ferromagnetische Schichten eine ferroelektrische Schicht umschließen. Als ferromagnetische Schichten wählten sie Lanthanstrontiummanganat (LSMO) und Cobalt, die ferroelektrische Schicht bildete Bleizirkonattitanat (PZT). Die Schichten waren nur einige Nanometer dick und wurden auf eine Unterlage aufgedampft. In ferroelektrischen Materialien wie PZT lässt sich die elektrische Polarisierung hin und herschalten, indem man eine Spannung anlegt und deren Pole tauscht. Dies lässt sich mit der Magnetisierung eines Ferromagneten vergleichen, die durch ein angelegtes Magnetfeld umgepolt wird. Da sich bei der elektrischen Polarisierung die Ionen im Material verschieben, bleibt die Polarisierung auch dann erhalten, wenn die Spannung abfällt. Mit einer gleich großen Spannung lässt sie sich dann erneut verändern.

Die Forscher induzierten eine Spannung in ihrem Materialsandwich, indem sie über der Cobaltschicht die Spitze eines Rasterkraftmikroskops positionierten. Obwohl das ferroelektrische PZT nicht elektrisch leitend ist, können einige Elektronen quantenphysikalisch durch die Barriere tunneln. Bei genau diesem Vorgang machten die Wissenschaftler eine interessante Beobachtung: „Überraschenderweise änderte sich beim Umpolen des Ferroelektrikums nicht nur die von der Polarisationsrichtung abhängige Komponente des Widerstandes des Tunnelkontakts, sondern auch die normalerweise nur von der Magnetisierungsrichtung der Elektroden abhängige Komponente, der sogenannte Tunnelmagnetowiderstand“, erklärt Hesse.

Der Tunnelmagnetowiderstand (TMR) tritt auf, wenn Elektronen zwischen zwei verschiedenen Arten von Ferromagneten tunneln. Wenn die beiden ferromagentischen Elektroden in der gleichen Richtung magnetisiert sind, dann ist er kleiner als bei entgegen gesetzter Magnetisierung. Es handelt sich dann um den normalen TMR. Wenn die Forscher jedoch die Polarisationsrichtung der ferroelektrischen PZT-Schicht änderten, trat der inversive TMR auf. Nun war der Widerstand bei gleicher Magnetisierung größer als bei der entgegen gesetzten. Somit kann die multiferroische Tunnelverbindung vier unterschiedlich große, elektrische Widerstände annehmen, abhängig von der elektrischen Polarisationsrichtung und von der Magnetisierung der Ferromagneten.

Wie dieser Effekt zustande kommt, können Hesse und Alexe noch nicht genau erklären. Er könnte damit zusammenhängen, dass die äußersten Titanionen im PZT ihre Position ändern, wenn sich die Polarisierung umkehrt. Kommen sie dabei näher an die Cobaltschicht, könnten sie aufgrund von intensiven Wechselwirkungen selbst ein magnetisches Moment annehmen und damit die Spinrichtung der tunnelnden Elektronen beeinflussen.

Mit der Methode der beiden Forscher lassen sich Elektronen auch leichter nach ihren Spins filtern. Da der Spin den Elektronen selbst ein magnetisches Moment verleiht, können bei normalen TMR nur die Elektronen tunneln, deren magnetischer Moment in dieselbe Richtung weist wie die Magnetisierung der beiden Elektroden. Um die Polarisationsrichtung der Ferromagneten zu ändern, benötigen die Forscher lediglich einen weiteren elektrischen Spannungspuls, der zwar wesentlich stärker ist als der für den Tunnelstrom, aber weniger als eine Millionstel Sekunde dauert. „Denselben Effekt erreichen wir zwar auch, indem wir mit einem äußeren Magnetfeld die Magnetisierung in beiden ferromagnetischen Schichten ändern, das kostet aber viel mehr Energie“, sagt Alexe. Daher könnte der multiferroische Tunnelkontakt auch als einfach zu schaltender Filter in der Spintronik dienen. Mit der Spintronik wollen Forscher sowohl die Ladung als auch den Spin von Elektronen zur Speicherung von Daten nutzen.