Physiker zeigen neue Methode zur hochauflösenden Darstellung magnetischer Nanostrukturen

Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle haben eine neue Methode entwickelt, um magnetische Nanostrukturen mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen. Damit schließen sie eine Lücke in der Spin-Elektronik, welche die Grundlage für die Entwicklung neuer, energieeffizienter Speichertechnologien ist. Über seine Forschung berichtet das Team in der aktuellen Ausgabe des Journals „ACS nano“.

„Mit unserer neuen Technik schlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe. Zum einen haben wir die Ortsauflösung magnetischer Strukturen stark verbessert, weit über die Möglichkeiten optischer Methoden hinaus. Zum anderen ist sie auch anwendbar auf chirale antiferromagnetische Systeme, was direkt unserem geplanten Exzellenzcluster ‚Center for Chiral Electronics‘ zugute kommt“, sagt Prof. Dr. Georg Woltersdorf vom Institut für Physik der MLU.

Normale Lichtmikroskope sind durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. Details unter etwa 500 Nanometern sind durch sie nicht erkennbar. Die neue Methode überwindet diese Grenze, indem sie den anomalen Nernst-Effekt (ANE) nutzt. So lässt sich in einem magnetischen Metall eine elektrische Spannung erzeugen, die senkrecht zur Magnetisierung und einem Temperaturgefälle steht. „Ein Laserstrahl fokussiert auf die Spitze eines Kraftmikroskops und verursacht so an der Oberfläche der Probe ein räumlich auf die Nanoskala beschränktes Temperaturgefälle“, erklärt Woltersdorf. „Diese schwebende metallische Spitze wirkt wie eine Antenne und konzentriert das elektromagnetische Feld in einem winzigen Bereich.“ Damit werden ANE-Messungen mit einer viel besseren Auflösung möglich, als es die herkömmliche Lichtmikroskopie erlaubt. Die veröffentlichten mikroskopischen Aufnahmen des Forscherteams erreichen eine Auflösung von rund 70 Nanometern.

Bisherige Studien untersuchten magnetische Strukturen in der Ebene. Für ein umfassendes Verständnis der Messergebnisse ist jedoch auch das vertikale Temperaturgefälle entscheidend, so das Forscherteam. Um diese Lücke zu schließen und die Zuverlässigkeit der ANE-Methode bei der Darstellung von magnetischen Strukturen im Nanometerbereich zu demonstrieren, nutzten die Forschenden den Kern eines magnetischen Wirbels als bekannte magnetische Struktur. Ihre Ergebnisse und Modellierungen zeigen, dass neben vertikalen Temperaturunterschieden auch ein signifikantes Temperaturgefälle in der Ebene vorliegt.

Ein besonderer Vorteil der neuen Technik ist, dass sie auch bei antiferromagnetischen Materialien mit chiraler Struktur funktioniert. „Unsere Erkenntnisse sind bedeutsam für die thermoelektrische Bildgebung von spintronischen Bauelementen. Das haben wir auch bereits an chiralen Antiferromagneten nachgewiesen“, sagt Woltersdorf. Eine entsprechende weitere Studie soll demnächst erscheinen.

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Förderung:
Die Arbeit wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 227, Projekt-1D 328545488.

Studie:
Atul Pandey, Jitul Deka, Jiho Yoon, Anagha Mathew, Chris Koerner, Rouven Dreyer, James M. Taylor, Stuart S. P. Parkin, Georg Woltersdorf: Anomalous Nernst effect based near field imaging of magnetic nanostructures, ACS nano. DOI: 10.1021/acsnano.4c09749

Quelle: MLU-Pressemitteilung