Kristallforschung auf dem Weg zu effektiveren Festplatten
"Für unser Experiment benutzten wir ein magnetisch weitgehend ungeordnetes Material" , berichtet der Gruppenleiter Manfred Fiebig vom Max-Born-Institut. Es handelt sich um eine kristalline Verbindung der Metalle Holmium und Mangan (HoMnO3). Erst das Anlegen einen elektrischen Feldes machte daraus eine ferromagnetische Substanz, die als Informationsspeicher dienen könnte.
Die deutschen Forscher haben in der keramischen Verbindung Holmiummanganit ein System gefunden, dessen magnetische Phase durch ein externes elektrisches Feld kontrolliert werden kann. Möglich werde das Schreiben mittels elektrischer Felder durch spezielle Kristalle, hexagonale Manganite, deren kompliziertes Wechselspiel elektrischer und magnetischer Eigenschaften zu diesem Zweck genutzt werden kann.
Das elektrische Feld schaltet die ferromagnetische Ordnung in diesen Kristallen an und ab. Es lässt sich so nicht nur die magnetische Polung durch das elektrische Feld kontrollieren, sondern es sei zudem möglich, den Magnetismus als solchen gezielt an- oder abzuschalten.
Den Einfluss eines elektrischen Feldes auf die magnetische Ordnung haben die Forscher in optischen Messungen nachgewiesen, indem sie die so genannte optische zweite Harmonische, eine Verdoppelung der Frequenz einer Lichtwelle im Kristall, untersucht haben. Zudem haben sie bei Anlegen eines elektrischen Feldes eine für einsetzende, ferromagnetische Ordnung typische Änderung der Schwingungsrichtung des Lichts beobachtet.
Die Wissenschaftler haben die Vorgänge auch auf mikroskopischer Ebene untersucht: Von außen sieht es so aus, als ob die Anordnung der Atome eines Kristalls in einem Gitter fest wäre. Die mikroskopische Analyse der Atompositionen weist jedoch häufig Änderungen der Atompositionen auf, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur oder angelegten magnetischen oder elektrischen Feldern, welche zu Änderungen der Materialeigenschaften führen.
Die Wissenschaftler konnten dabei feldabhängige Verschiebungen der Atompositionen im Kristallgitter sowie entsprechende Änderungen der magnetischen Austauschpfade nachweisen und mit diesen das Schalten der magnetischen Ordnung erklären.
Mit den Ergebnissen sollen sich Möglichkeiten zur Konstruktion neuartiger und effektiverer magnetischer Informationsspeicher eröffnen. Die Wissenschaftler können nun Grundanforderungen an Materialien ableiten, die für eine magnetoelektrische Phasenkontrolle genutzt werden könnten.
Der Forschungserfolg hat sich durch die Zusammenarbeit verschiedener Wissenschaftler ergeben. Den Beitrag aus Tübingen erarbeitete der Bereich Röntgen- und Neutronenstreuung des Instituts für Angewandte Physik, der aus dem Institut für Kristallographie hervorgegangen ist. Dessen Forschungsthemen sind neue magnetische Materialien, neue experimentelle Techniken zur Röntgen- und Neutronenbeugung und die Entwicklung neuer Verfahren zur Auswertung mittels Statistik und Gruppentheorie.
Die Apparaturen zur Röntgenbeugung stehen in Tübingen, die Messungen mit Neutronen wurden am Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble und am Hahn-Meitner-Institut in Berlin durchgeführt. Am Berliner Max-Born-Institut laufen laseroptische Experimente. Mit dem Hahn-Meitner-Institut ist die Uni Tübingen über einen Kooperationsvertrag und ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziertes Projekt zum Ausbau eines Diffraktometers zur Neutronenstreuung verbunden.
Die Tübinger Wissenschaftler Thomas Lonkai, Uwe Amann und Prof. Jörg Ihringer vom Institut für Angewandte Physik haben in Zusammenarbeit mit den Berliner Wissenschaftlern Thomas Lottermoser und Manfred Fiebig vom Max-Born-Institut sowie Prof. Dietmar Hohlwein vom Hahn-Meitner-Institut ihre Forschungsergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht (Nature, Band 430, Seite 541, vom 29. Juli: "Magnetic Phase Control by an Electric Field").
Bereits vor zwei Jahren hatten die Forscher des Max-Born-Instituts in Nature über die mögliche Kopplung zwischen magnetischen und elektrischen Ordnungszuständen berichtet. Mit dem jetzt in Nature dargestellten Experiment beschreiben sie den wichtigen Schritt zum kontrollierten magnetoelektrischen Schalten, mit dem ein neuartiger Schreib- und Leseprozess erst möglich wird. "Wir sehen als mögliche Anwendung nicht unbedingt kleinere Festplatten, " , erläutert Mafred Fiebig, "sondern eher eine erhöhte Stabilität der gespeicherten Daten."
Zukünftige Untersuchungen werden sich deshalb mit der Übertragung der gefundenen Ergebnisse auf dünne Materialfilme widmen, wie sie für technologische Anwendungen relevant sind. Des weiteren soll der zeitliche Ablauf des magnetoelektrischen Schaltprozesses mit den am Max-Born-Institut vorhandenen Kurzpuls-Lasern untersucht werden.