Doppelerfolg Eine völlig neue Materialklasse und manipulierbare Magnetwerkstoffe

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Gleich zwei erfolgreich bearbeitete Forschungsthemen konnten Physiker von der TU Dortmund in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlichen. Worum es dabei geht, erfahren Sie auch hier.

Das Team um Professor Mirko Cinchetti von der TU Dortmund untersucht magnetische Phänomene auf ultrakurzen Zeitskalen und möchte außerdem die magnetischen und elektronischen Eigenschaften von neuen Materialien gezielt mit Licht manipulieren, heißt es. Diese Forschung bilde die Grundlage für zahlreiche mögliche Anwendungen, die von der Informationstechnik bis zur Spinelektronik (Spintronik oder auch Fluxtronik) – ein relativ neues Forschungsgebiet, das sich dadurch kennzeichnet, dass es mit Blick auf die Quanten- und Nanotechnik besonders anwendungsbezogen ist. Es wird außerdem als Teilgebiet der Grundlagenforschung zur Festkörperphysik eingestuft.

1. Hybride Grenzflächen besser verstehen lernen

Bei diesem Forschungsthema sind Cinchetti und der Erstautor, der Doktorand David Janas, mit einem internationalen Team der Frage nachgegangen, welchen Einfluss die Bindung von Fremdatomen respektive Molekülen auf die Eigenschaften magnetischer Metalloberflächen hat. Denn wenn eine Oberfläche vollständig und auch noch geordnet mit solchen gebundenen Teilchen bedeckt ist, entsteht eine Grenzfläche mit einheitlichen elektronischen und magnetischen Eigenschaften, erklären die Experten. Derartige hybride Grenzflächen spielen eine wichtige Rolle in katalytischen Anwendungen sowie in elektronischen und spinelektronischen Bauteilen. Wenn man die physikalischen Phänomene und Prozesse, die an solchen Grenzflächen auftreten, besser versteht, kann man ihre Leistungsfähigkeit verbessern, um neue Technologien aus der Taufe zu heben, wie es weiter heißt.

Die Physiker haben dazu einen hochreinen Eisenfilm im Ultrahochvakuum mit spektroskopischen Methoden vermessen. Sie untersuchten dabei mithilfe der Spin-aufgelösten Impulsmikroskopie, welche Änderungen durch eine einzelne Lage Sauerstoffatome auf der Oberfläche hervorgerufen werden. Mit dieser Art der Mikroskopie kann die elektronische und magnetische Struktur von Festkörpern sowie deren Oberflächen vollständig erfasst werden, betonen die Wissenschaftler.

Eine völlig neue Materialklasse unter der „Lupe“

Die experimentellen Ergebnisse wurden zusätzlich durch theoretische Simulationen ergänzt, die zeigen, wie sich die Elektronen im Metall gegenseitig beeinflussen. Diese Beeinflussung wird auch als Elektronenkorrelation bezeichnet. Es sei aber komplex und rechnerisch sehr aufwändig, diese in einer Simulation zu berücksichtigen, weshalb sie bisher weitestgehend vernachlässigt wurde. Die Dortmunder konnten aber erstmals zeigen, dass Adsorbate – also die an der Oberfläche gebundenen Teilchen – die Korrelationseffekte zwischen den Elektronen einer Metalloberfläche sehr verstärken können. Diese Verstärkung beeinflusst die Beschaffenheit der Grenzfläche. Im Fall es hochreinen Eisenfilms entstehe eine völlig neue Materialklasse mit Merkmalen, die weder metallischem Eisen noch isolierenden Eisenoxiden zugeschrieben werden können, beschreiben die Experten.

Die Entdeckung des Teams könnte einen Paradigmenwechsel einläuten, weil sie zeige, dass Elektronenkorrelation nicht bloß eine abstrakte theoretische Größe ist, sondern für das Verständnis von Grenzflächenphänomenen wichtig, denn offensichtlich hilft sie bei der Erschaffung neuartiger Materialien.

An der Veröffentlichung beteiligt sind auch Dr. Stefano Ponzoni und Dr. Giovanni Zamborlini von der TU Dortmund. Die Arbeit ist im Rahmen des EU-Projekts INTERFAST gemeinsam mit Wissenschaftler*innen vom Trinity College Dublin (Irland), vom Forschungszentrum Jülich, von der University of Belgrade (Serbien) und der Universität Augsburg entstanden.

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