Neue Vorteile für Spintronik und Datenspeicherung

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Lösung für langfristige Herausforderung der Grundlagenforschung

In einer am 02.08.2023 open access in Advanced Science veröffentlichten Arbeit haben ForscherInnen des Paul-Drude-Instituts in Berlin und der Xiamen-Universität, China, gezeigt, dass ferromagnetisches NiCo2O4 (NCO – als Elektrodenmaterial in wiederaufladbare Batterien genutzt) eine Lösung für die langfristige Herausforderung darstellt, Materialien mit einer stabilen Magnetisierung außerhalb der Ebene zu finden. Außerdem wurde gezeigt, dass die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von NCO in weiten Bereichen maßgeschneidert werden können.

Forschungslabor in Berlin-Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Das Forschungsteam hat auch den Ursprung eines ungewöhnlichen grundlegenden Magnetotransportphänomens geklärt. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für neuartige spintronische Anwendungen und bieten Lösungen für künftige Speicher mit hoher Dichte, die über die derzeitigen Designs hinausgehen.

Mit dem Ziel, neuartige magnetische Oxide für die künftige Spintronik zu entwickeln und ihre grundlegenden Eigenschaften zu verstehen, haben die Forscher gezeigt, dass NiCo2O4 aufgrund seiner robusten Magnetisierung außerhalb der Ebene und seiner flexiblen Abstimmbarkeit als vielversprechendes Spintronik-Material hervorsticht. Folglich ebnet die Verwendung von NCO den Weg für neuartige ferrimagnetische spintronische Konzepte und Speicher der nächsten Generation mit hoher Dichte, die über die kürzlich berichteten, auf antiferromagnetischen Materialien basierenden Konzepte hinausgehen.

Die Identifizierung magnetischer Materialien mit einer robusten senkrechten (außerhalb der Ebene liegenden) magnetischen Anisotropie (PMA) ist für die heutige Spintronik von entscheidender Bedeutung, da Übergitterstrukturen mit ultradünnen Einzelschichten in der Regel zur Realisierung von PMA in Speichern mit hoher Dichte verwendet werden. Materialien mit einer robusten PMA in relativ dicken Schichten sind für die Herstellung von Bauelementen wesentlich weniger schwierig und daher kostengünstiger. Die Untersuchung zeigt, dass neben der PMA auch die gesamten Transport- und magnetischen Eigenschaften von NCO-Filmen in Abhängigkeit von den relativen Konzentrationen von Ni-Kationen in verschiedenen Valenzzuständen (Ni2+ vs. Ni3+) in weiten Bereichen angepasst werden können. Es hat sich gezeigt, dass die Materialeigenschaften von NCO-Filmen entscheidend von der elektrischen Leitfähigkeit abhängen, die zwischen isolierendem und metallischem Verhalten eingestellt werden kann.

Aus fundamentaler Sicht enthüllt die Untersuchung den Ursprung der ungewöhnlichen Vorzeichenumkehr im anomalen Hall-Effekt (AHE) als Folge eines Wettbewerbs zwischen verschiedenen zugrunde liegenden Mechanismen. Tatsächlich zeigen die Autoren, dass das Vorzeichen des AHE in NCO-Filmen unabhängig von ihrer Dicke eingestellt werden kann, was für andere einphasige Materialien noch nie berichtet wurde. In der Studie wurde auch zum ersten Mal ein Beitrag der schiefen Streuung in einem Material mit niedriger Leitfähigkeit (~ 102 ?-1cm-1) nachgewiesen. Bisher wurde ein solcher Beitrag zur AHE nur für supersaubere Metalle mit hohen Leitfähigkeiten (~ 106 ?-1cm-1) berichtet. In diesem Zusammenhang stellen NCO-Filme eine neue Plattform dar, um den Quantentransport in magnetischen Materialien zu untersuchen und zu manipulieren.

Aufgrund des zusätzlichen Wissens über Magnetotransportphänomene und der abstimmbaren magnetischen Eigenschaften sind ferromagnetische NCO vielversprechend für die weitere Forschung. Diese Arbeit ist daher von großem Interesse für die Grundlagenforschung, das Design neuartiger spintronischer Anwendungen sowie für die industrielle Entwicklung von Speichern mit hoher Dichte.

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