Beiträge im Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft

Die Abteilung Nanophotonik, Integration und Neuronale Technologie am MPI für Mikrostrukturphysik entwickelt Technologien für photonische Schaltkreise im Wafer-Maßstab zur Miniaturisierung und Erhöhung der Integrationsdichte optischer Systeme. Solche Mikrochip-Technologien können zahlreiche Anwendungen verändern, z. B. Displays, Quanteninformation und Sensorik. Die Abteilung nutzt diese Möglichkeiten, um eine Reihe multifunktionaler implantierbarer Chips mit einer Schnittstelle zum Gehirn zu entwickeln und so die Neurowissenschaft voranzubringen. Die Systeme werden in neurowissenschaftlichen Labors für die Explorations- und Gesundheitsforschung eingesetzt.
 

Seit einiger Zeit stehen zweidimensionale Materialien (2D-Materialien) mit langreichweitiger magnetischer Ordnung im Rampenlicht. Mit Hilfe modernster molekularer Strahlepitaxie haben wir den ersten großflächigen 2D-Ferromagneten hergestellt, der eine magnetische Easy-Plane Anisotropie aufweist:: eine Einzelschicht aus CrCl3 auf einem Graphen-Silizium-Karbidsubstrat. Dies bietet die Möglichkeit, um exotische Phänomene mit Anwendungspotenzial, wie 2D-Spin-Suprafluidität und topologisch geschützte magnetische Texturen, zu beobachten.

Vor kurzem wurden zweidimensionale (2D) Ferroika entdeckt, die eine magnetische, ferroelektrische oder ferroelastische Ordnung aufweisen. Diese Materialien stoßen auf großes Interesse in der Forschungsgemeinschaft, sowohl wegen der neuartigen Physik, die sie beinhalten, als auch wegen ihres Potenzials für die Nanoelektronik der nächsten Generation. Unser Institut erforscht, synthetisiert und charakterisiert neuartige 2D-Ferroika mit dem Ziel, diese in innovativen energieeffizienten Geräten einzusetzen.

Die Spintronik ist ein Forschungsgebiet, das sich auf die Grundlagenphysik und die Anwendungen von Spin-basierten Phänomenen konzentriert. Bis heute hat die Spintronik eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Aufnahmeköpfen gespielt, die in Magnetplattenlaufwerken und in einem leistungsstarken, nichtflüchtigen magnetischen Direktzugriffsspeicher mit Festkörperbetrieb eingesetzt werden. Eine dritte Spintronik-Technologie, der magnetische Racetrack-Speicher, hat das Potenzial, Magnetplattenlaufwerke zu verdrängen: Dieser Artikel befasst sich mit der Entdeckung mehrerer neuartiger magnetischer Nanoobjekte, so genannter „Skyrmionen“, die die Daten im Racetrack-Speicher kodieren könnten.

Mit Hilfe von quantenphysikalischen Computersimulationen haben wir in Festkörpern ein Phänomen gefunden, das wir Optisch Induzierten Spin-Transfer (OISTR) nennen. Dieser Mechanismus setzt ein, wenn bestimmte Materialien mit starken, extrem kurzen Laserpulsen beschossen werden. Dann werden lokal Atome in wenigen Femtosekunden magnetisiert und wieder entmagnetisiert. Unsere theoretischen Vorhersagen wurden mittlerweile experimentell bestätigt, sodass sich damit eventuell die Rechengeschwindigkeit von Computern um das Tausend- bis Millionenfache erhöhen ließe.

Dichtefunktionaltheorie, die am weitesten verbreitete Methode zur Berechnung von Molekül- und Festkörpereigenschaften, ist in ihrer Anwendbarkeit durch die ihr zugrunde liegende Born-Oppenheimer-Näherung eingeschränkt, d. h. durch die Annahme, dass sich die Kerne unendlich viel langsamer als die Elektronen bewegen. Forschungsarbeiten am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik haben es dank neuer Erkenntnisse zur Berry-Krümmung ermöglicht, eine Dichtefunktionaltheorie zu entwickeln, die vollständig die nicht-adiabatisch gekoppelte Elektron-Kern-Bewegung berücksichtigt.

2D-Eiseninseln mit wenigen tausend Atomen zeigen eine neuartige magnetische Ordnung auf der Nanometerskala, die erstmals mit der Spin-polarisierten Rastertunnelmikroskopie aufgeklärt wurde. Die lokale Magnetisierungsrichtung im Eisen dreht sich auf einer Strecke von nur fünf Atomabständen um 360 Grad. Diese für Eisen ungewöhnliche magnetische Ordnung ist eine Folge der reduzierten Dimensionalität der Eisennanostruktur. Deren strukturelle Relaxation verändert die spinabhängige Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dies verursacht eine nicht-kollineare Ausrichtung benachbarter Spins.

Magnonen sind Anregungen in einem magnetischen Festkörper, die sich wellenartig ausbreiten. Wie andere Wellen, können die Magnonen eventuell dazu genutzt werden, Informationen zu übertragen. Die Untersuchung von Wellenlänge, Frequenz und Lebensdauer von Magnonen in magnetischen Festkörpern, stellt ein wichtiges Forschungsgebiet dar. Am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik werden dazu die Eigenschaften von Magnonen an ferromagnetischen Oberflächen, mithilfe der spinpolarisierten Elektronenspektroskopie, studiert.

Durch Nanostrukturierung erhält Silizium eine deutlich verringerte Wärmeleitfähigkeit. Potenziell ist damit eine Erhöhung der thermoelektrischen Effizienz des Materials denkbar, sodass es für die Umwandlung von Wärme in Strom genutzt werden könnte.  Es wurden deshalb Schichten aus porösem Silizium hergestellt und diese auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften hin untersucht. Es zeigt sich, dass die Wärmeleitfähigkeit durch die Nanostrukturierung zwar deutlich verringert wird, aufgrund von konkurrierenden Effekten aber dennoch nur maßvolle Effizienzsteigerungen möglich sind.

Die magnetoelektrische Kopplung ermöglicht es, die Magnetisierung eines Festkörpers durch ein elektrisches Feld zu ändern. Bislang ist dieses Phänomen hauptsächlich in Isolatoren beobachtet worden. Metallische Volumenmaterialien zeigen diesen Effekt nicht, weil das äußere elektrische Feld durch die frei beweglichen Leitungselektronen abgeschirmt wird. Die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit dem Oberflächendipol einer metallischen Nanostruktur gestattet es jedoch, die magnetische Ordnung der Nanostruktur zwischen zwei stabilen Zuständen reversibel zu schalten.

Die Untersuchung von Möglichkeiten, Elektronen in Festkörpern und an ihren Oberflächen auf Zeitskalen im Femtosekundenbereich (10^-15 s) zu beeinflussen, stellt ein wichtiges Forschungsgebiet dar. Dies betrifft insbesondere auch die Steuerung magnetischer Schaltprozesse mittels ultrakurzer Laserpulse und die Kontrolle über den Spin der angeregten Elektronen. Am MPI für Mikrostrukturphysik wird dazu untersucht, wie der Spin von Photoelektronen, die mittels optischer Anregung von Metalloberflächen emittiert werden, durch die Absorption mehrerer Photonen beeinflusst werden kann.

Hochdichte, nichtflüchtige Festkörperspeicher stellen sowohl unter technologischen als auch unter physikalischen Aspekten ein interessantes Forschungsgebiet dar. Da die Abmessungen einer einzelnen Speicherzelle deutlich unterhalb von 100 Nanometern liegen müssen, sich aber die Eigenschaften von Speichermaterialien bei solchen geringen Abmessungen auch stark ändern können, stellen die Entwicklung von geeigneten Herstellungsmethoden und die Analyse der Eigenschaften der hergestellten Speicherzellen große Herausforderungen dar. Am MPI für Mikrostrukturphysik sind solche Arbeiten Bestandteil der Forschung zu nanostrukturierten Materialien.

Die Oberflächenlegierung Bi/Ag(111) zeigt eine ungewöhnlich große Aufspaltung der Oberflächenbandstruktur. Rechnungen zur elektronischen Struktur belegen, dass dieser Effekt auf die Rashba-Spinbahnkopplung zurückzuführen ist. Insbesondere ist die planare Inversionsasymmetrie innerhalb der Oberflächenschicht für den unerwartet großen Effekt verantwortlich. Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur Überprüfung theoretischer Vorhersagen für zweidimensionale Elektronengase mit Rashba-Spinbahnkopplung.

Nanostrukturen beherrschen derzeit die Forschungs- und Entwicklungslandschaft in der Technologie, Medizin und Biologie. Am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle werden Möglichkeiten untersucht, biologische, organische und anorganische Nanostrukturen mit dünnen Filmen aus anorganischen Materialien herzustellen und so das Anwendungsspektrum in den Bereichen Medizin, Elektronik, Katalyse und Sensorik zu erweitern.

Mittels oberflächensensitiver Röntgenbeugung wurden die geometrischen Strukturen der Metall-Oxid Grenzflächen am Beispiel des Fe/MgO/Fe(001)-Magnetwiderstands Schichtsytems untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich an der MgO/Fe(001)-Grenzfläche eine FeO-Schicht bildet, die entscheidenden Einfluss auf die Größe des Magnetwiderstandseffekts hat.

Die moderne Spinelektronik stellt hohe Anforderungen an den Entwurf und die Fabrikation neuer Materialien. Unter den Systemen, die diese Anforderungen erfüllen können, nehmen die verdünnten magnetischen Halbleiter eine wichtige Position ein. In diesem Beitrag berichten wir über einige Ergebnisse unserer first principles-Untersuchungen an diesen Materialien. Wir haben gezeigt, dass die teilgefüllten Bänder eine sehr wichtige Rolle für den Magnetismus der verdünnten magnetischen Halbleiter spielen. Die weit reichende Austauschwechselwirkung entsteht als Kompromiss zwischen der Delokalisierung der Lochzustände von der 3d-Dotierung und der Stärke der 3d-Loch-Wechselwirkung. Die Eigenschaften dieses Kompromisses sind von dem konkreten System stark abhängig und können nur mit realistischen Dichtefunktionalrechnungen ermittelt werden.

Halbleiter-Nanodrähte stellen ein interessantes Forschungsgebiet an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und Technologie dar. Die Analyse des Wachstumsprozesses, der Eigenschaften und möglicher Anwendungen ist Bestandteil der Forschung zu Halbleiter-Nanodrähten am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle. Mithilfe verschiedener Wachstumsverfahren wurden erfolgreich Halbleiter-Nanodrähte hergestellt und im Elektronenmikroskop charakterisiert. Weitere Untersuchungen, wie z.B. der elektrischen und optischen Eigenschaften werden derzeit durchgeführt.