e Antiferromagnetische Ordnung sichtbar gemacht

Aktuell
wenn er die Annäherung von Hochschulen und Forschungsorganisationen fordert und Innovation und
Technologietransfer zu Zielen erhebt. Auch die Schwerpunktprogramme der Regierung hat Schwartzenberg von Allègre übernommen.
„Die Lebenswissenschaften sind unsere erste Priorität, wegen ihres
wirtschaftlichen Potenzials und vor
allem wegen ihrer Fähigkeit, die
Grundbedürfnisse der Menschheit
zu befriedigen: Gesundheit, Verbesserung der Lebensbedingungen, Sicherheit der Lebensmittelproduktion“. Zweite Priorität ist der „Weg
zur Informations- und Kommunikationsgesellschaft“, und schließlich
folgen „Forschungsprojekte im Sinne des Umweltschutzes“. Deutlicher
kann man nicht sagen, dass die goldene Zeit der „harten“ Ingenieurwissenschaften, die den TGV, Teile
von Ariane und Airbus und den
schnellen Brüter Superphénix hervorbrachten, zu Ende ist. Frankreich schlägt einen anderen Kurs in
der Forschungs- und Technologieförderung ein, Allègre zeichnete in
seiner Amtszeit den Weg vor und
Schwartzenberg bestätigt ihn heute.
Thomas Otto
Antiferromagnetische
Ordnung sichtbar gemacht
Die direkte Abbildung der antiparallelen Spinorientierung in dünnen
antiferromagnetischen Schichten
galt bislang als große Herausforderung an die Experimentatoren, da
hierfür eine im Prinzip atomare
Auflösung von wenigen Nanometern notwendig sind, übliche Messverfahren aber nur Auflösungen in
der Größenordnung von einigen
100 nm erreichen. Der experimentellen Arbeitsgruppe von Roland
Wiesendanger an der Universität
Hamburg gelang nun in Zusammenarbeit mit der Theorie-Arbeitsgruppe von Stefan Blügel am Forschungszentrum Jülich ein Durchbruch: Mithilfe der so genannten
spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) konnten sie
die antiferromagnetische Spinordnung in einer Mangan-Monolage
direkt abbilden [1]. Die ManganMonolage wurde auf einem Wolfram-Substrat deponiert. Sie wächst
atomar glatt und mit derselben Gitterkonstante wie das Substrat. Betrachtet man die Oberfläche mit ei-
nem gewöhnlichen Rastertunnelmikroskop, ausgestattet mit einer
nichtmagnetischen Wolfram-Spitze,
so erhält man die atomar aufgelöste
Struktur (obere Teilabbildung).
Vor über zehn Jahren haben Blügel et al. auf der Basis von firstprinciples-Berechnungen vorausgesagt, dass solche Mn-Monolagen
ideale zweidimensionale Antiferromagneten sind [2]. Alle bisherigen
Versuche, diese Voraussage zu bestätigen, schlugen fehl, sei es, weil
Methoden wie die Neutronenstreuung nur auf das Volumen sensitiv
sind und daher eine Monolage
nicht „erkennen“, sei es, weil direktabbildende Methoden wie die Magnetkraftmikroskopie (MFM) nicht
die nötige Auflösung erreichen. Anders als die MFM, welche direkt die
magnetischen Dipolkräfte zwischen
Probe und Spitze nachweist, nutzt
das SP-RTM die Abhängigkeit des
Tunnelstroms von der relativen Orientierung der Magnetisierungsvektoren von Tunnelspitze und Probe.
Anschaulich gesprochen wirkt die
magnetische Spitze als Quelle spinpolarisierter Elektronen, welche die
spinaufgespaltene Zustandsdichte
der magnetischen Probe abtastet.
Diese Technik erlaubt atomare Auflösung und weist im Wesentlichen
nur die oberste Atomlage nach.
Die untere Teilabbildung wurde
mit einer magnetischen, mit Eisen
beschichteten Tunnelspitze bei 16
Kelvin aufgenommen. Man erkennt
periodische parallele Streifen entlang der [001]-Richtung.
Die Peri_
odizität entlang [110] beträgt 4,5 ±
0,1 Å. Dieser Wert stimmt exakt mit
der Größe der magnetischen Einheitszelle überein, ein Beleg für die
magnetische Natur des Bildkontrasts. Der Vergleich mit der Theorie zeigt ebenfalls eine sehr gute
Übereinstimmung. Damit werden
ältere Arbeiten von Wiesendanger
am Magnetit, die vor zehn Jahren
auf erhebliche Skepsis in der Fachwelt stießen [3], eindrucksvoll bestätigt.
Antiferromagnetische Schichten
spielen eine wichtige Rolle in der
Magnetoelektronik, die interessante
Anwendungen wie magnetische
Speicherbausteine (MRAMs) verspricht. Aufgrund der fehlenden
makroskopischen Magnetisierung
reagiert ihre Domänenstruktur
nicht auf äußere Magnetfelder. Der
direkte Kontakt zwischen einem
Ferromagneten und einem Antiferromagneten führt zu einem „Pinning“ der Magnetisierungsrichtung
Mit einem „gewöhnlichen“ Rastertunnelmikroskop lässt sich die atomare Struktur einer dünnen Manganschicht
abbilden (oben). Jeder weiße „Fleck“ entspricht einem Mangan-Atom, unabhängig
von seiner Spinorientierung in der antiferromagnetisch geordneten Schicht
(Inset links oben). Mit einer magnetischen Tunnelspitze ist es nun auch
gelungen, die Spinorientierung aufzulösen und damit die magnetische Struktur
abzubilden (unten). Die Insets unten zeigen jeweils theoretische Ergebnisse.
des Ferromagneten durch die Austauschkräfte. Experimente zeigen,
dass die atomare Struktur der
Grenzfläche eine wichtige Rolle für
dieses Phänomen spielt. Die SPRTM könnte in diesem Zusammenhang wichtige Aufschlüsse liefern.
Aufgrund ihrer extremen Oberflächenempfindlichkeit ist diese
Methode in vorzüglicher Weise
komplementär zu Methoden, die
die magnetische Konfiguration von
vergrabenen Schichten elementaufgelöst nachweisen können, wie die
verschiedenen Techniken der Röntgen-Spektromikroskopie.
Gerd Schönhense
Prof. Dr. Gerd
Schönhense, Institut
für Physik der Universität Mainz, Staudinger Weg 7, 55099
Mainz
[1] S. Heinze et al., Science 288, 1805
(2000)
[2] S. Blügel et al., Phys. Rev. Lett. 60,
1077 (1988)
[3] R. Wiesendanger et al., Science
255, 583 (1992)
Physikalische Blätter
56 (2000) Nr. 7/8
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