Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern

Magnete sind nicht überall gleich magnetisch, sondern zerfallen automatisch in kleinere Bereiche, sogenannte magnetische Domänen. Von besonderer Bedeutung sind die Wände zwischen den Domänen: Von ihnen hängen die magnetischen Eigenschaften des Materials ab. Ein Forschungsteam aus der Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) arbeitet daran, Domänenwände künstlich zu erstellen, um das Verhalten von Magneten im Nanometermaßstab kontrolliert zu ändern. Langfristig könnte diese Methode auch für eine schnelle und energieeffiziente Datenübertragung genutzt werden. Die Forschungsergebnisse erschienen kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“.

Das Aufteilen eines Magnetmaterials in Domänen hat große energetische Vorteile. Im Fokus des Forschungsteams der Universität Kiel stehen jedoch die Wände, die Domänen voneinander abgrenzen. „Die Position und die Dichte dieser Wände bestimmen die Eigenschaften der gesamten magnetischen Schicht“, sagt Jeffrey McCord, Professor für Nanoskalige magnetische Werkstoffe mit dem Schwerpunkt magnetische Domänen. „Die Positionen von Domänenwänden gezielt einstellen zu können, hat also eine große Auswirkung – es ist allerdings nicht ganz einfach“, so der Leiter des Forschungsteams.
Um Domänen und Domänenwände gezielt einstellen zu können, nutzte das Forschungsteam eine spezielle Methode: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bestrahlten magnetische Mehrlagenschichten mit Ionen. Domänenwandstrukturen, die normalerweise willkürlich angeordnet sind, können damit ganz nach Wunsch in das magnetische Material „eingeprägt“ werden. „Dadurch können magnetische Eigenschaften kontrolliert geändert werden, und zwar reproduzierbar. Wir können damit die Lage der Domänenwände selbst bestimmen und eigene Domänenwandgitter mit Millionen von 50 Nanometer breiten Wänden bauen. Wir erhalten so magnetische Materialien, die ein komplett anderes Verhalten gegenüber äußeren magnetischen Feldern aufweisen“, freut sich McCord.

„Überraschend war für uns, wie gut sich Spinwellen in den Domänenwänden ausbreiten und durch sie gelenkt werden“, betont McCord. Spins sind magnetische Momente von Elektronen, die sich auch dazu eignen, Informationen zu verarbeiten und zu kodieren. Die Erkenntnisse der Kieler Forschenden könnten daher langfristig für eine Datenübertragung interessant sein, die nicht über Elektronen funktioniert, sondern über Magnonen – also eine magnetische Informationsübermittlung. „Mit gebauten Domänenwandstrukturen könnten wir Datenströme schneller und mit geringerem Energieaufwand lenken“, sagt McCord. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind besonders sensible magnetische Sensoren.

Literature

J. Trützschler, K. Sentosun, B. Mozooni, R. Mattheis, J. McCord. Magnetic domain wall gratings for magnetization reversal tuning and confined dynamic mode localization, Scientific Reports 6, 30761 (2016) DOI: 10.1038/srep30761, www.nature.com/articles/srep3076