Wie der Strom im Magnetfeld fließt

Wissenschaftlern der Universität Göttingen ist es gelungen, den Einfluss eines Magnetfeldes auf den elektrischen Stromtransport auf mikroskopischer Ebene zu verstehen. Mit Hilfe eines eigens hierfür konstruierten Rastertunnelmikroskops war es ihnen erstmals möglich, den Elektronenfluss bis auf die atomare Skala zu vermessen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

Der sogenannte Magnetwiderstand, die Änderung des elektrischen Widerstandes mit dem Magnetfeld, ist eine wichtige physikalische Größe, die grundlegend Aufschluss über die Eigenschaften eines Materials geben kann. „Klassisch werden Elektronen in einem Magnetfeld aufgrund der Lorentz-Kraft zusätzlich seitlich abgelenkt. Wie stark sie abgelenkt werden, hängt von der Leitfähigkeit und der Ladungsträgerkonzentration des Materials ab, in dem sie sich bewegen“, erläutert Philip Willke vom IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen, der sich im Rahmen seiner Doktorarbeit mit dem Thema beschäftigte. „Magnetfelder werden zum Beispiel in elektronischen Bauteilen verwendet. Diese sind nur noch wenige atomare Lagen dick. Deshalb ist es nötig, hochauflösende Mikroskope zu verwenden, um den Stromfluss zu charakterisieren.“

Um einen Einblick auf diese Längenskalen zu erhalten, benutzte die Forschergruppe ein Rastertunnelmikroskop. Dieses ertastet ähnlich wie Blindenschrift die Oberfläche einer Probe, in diesem Fall mit einer dünnen Metallspitze. „Diese Methode erlaubt es, Abbildungen bis auf die Skala von wenigen Nanometern, also ein Millionstel Millimeter, zu erstellen“, ergänzt Thomas Kotzott vom IV. Physikalischen Institut. „Darüber hinaus sind Messungen des Elektronentransports insbesondere in hohen Magnetfeldern nicht trivial, und wir mussten die Instrumente und Methoden eigens entwickeln.“

Besonderes Augenmerk legten die Forscher auf den Einfluss von Defekten, kleinen Schönheitsfehlern im Material. Diese führen in der Regel zu einem höheren Widerstand der Probensysteme. „Wir konnten mit einem Blick auf die Nanoskala erstmals zeigen, dass die von uns charakterisierten Defekte im Material ihren Widerstand im Magnetfeld nicht ändern, im Gegensatz zum Rest der Probe“, ergänzt Arbeitsgruppenleiter Dr. Martin Wenderoth. Die Forscher führen dies auf einen anderen Streumechanismus zurück. Diese innovative Methode erlaubt somit erstmals neue Einblicke in den elektrischen Stromfluss bis hinunter auf die atomare Skala und kann zukünftig helfen, Materialien mit hoher Auflösung zu charakterisieren.

Literatur

Philip Willke et al. Magnetotransport on the nano scale. Nature Communications 8, 15283. Doi: 10.1038/ncomms15283 (2017), http://www.nature.com/articles/ncomms15283