Forschende erzeugen chirales antiferromagnetisches Netzwerk

2. Dezember 2025, von MIN-Dekanat

Foto: UHH/Kubetzka

Rastertunnelmikroskopie Messung des antiferromagnetischen Domänenwandnetzwerks, Domänenwände erscheinen hell, die sehr hellen weißen Bereiche kennzeichnen Argon Blasen mit Domänenwandverzweigungen mit bis zu sechs Domänenwänden. Breite des Bildes ist etwa 120 Nanometer.

Forschende des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg haben ein magnetisches Netzwerk auf der Nanometerskala in einer antiferromagnetischen Mangan-Schicht realisiert. Die Übergänge zwischen verschiedenen magnetisch geordneten Bereichen (Domänen) des Netzwerks wurden mittels Rastertunnelmikroskopie auf der atomaren Skala abgebildet, wobei die Kreuzungspunkte der Domänenwände eine Händigkeit (Chiralität) aufwiesen. Die beobachtete Chiralität kann durch eine magnetisch getriebene Scherung der Mangan-Schicht erklärt werden wie theoretische Physikerinnen und Physiker der Christian-Albrechts-Universität (CAU) zu Kiel zeigen konnten. Die Ergebnisse dieser Kollaboration wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Der Magnet, mit dem wir unsere Notizen am Kühlschrank befestigen, besteht aus einem ferromagnetischen Material. Auf der mikroskopischen Skala sind in einem solchen Ferromagneten alle „atomaren Stabmagnete“ parallel zueinander ausgerichtet. Ferromagnetische Materialien werden heute in vielen Anwendungen genutzt, vom Kompass und magnetischen Sensoren bis hin zu magnetischen Datenspeichern. Vor fast 100 Jahren entdeckte der französische Forscher Louis Néel, dass in der Natur aber auch viele Materialien vorkommen, in denen die „atomaren Stabmagnete“ auf benachbarten Plätzen im Kristallgitter entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Diese bezeichnete er als Antiferromagnete und wurde 1970 u.a. für diese Entdeckung mit dem Nobelpreis in Physik ausgezeichnet. Durch die antiparallele Ausrichtung der Stabmagnete auf der atomaren Skala erzeugen Antiferromagnete im Außenraum kein magnetisches Feld und eignen sich z.B. nicht, um Notizen am Kühlschrank zu befestigen. Da eine antiferromagnetische Ordnung auch schwierig auszulesen ist, hielt man diese Materialien lange Zeit nicht für eine technische Anwendung geeignet.

Jedoch hat sich mittlerweile gezeigt, dass antiferromagnetische Materialien vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in der Magnetoelektronik darstellen. In diesem Feld nutzt man elektrische Ströme, um magnetische Eigenschaften von Materialien zu manipulieren und auszulesen. Aufgrund dieses Potentials sind Antiferromagnete in den Fokus der aktuellen Forschung gerückt. Gleichzeitig sind komplexe magnetische Netzwerke interessante Kandidaten für neuartige, unkonventionelle Computer, da sie mehrere unterschiedliche einzigartige Transporteigenschaften aufweisen, darunter starke Wechselwirkungen von Strömen mit drei-dimensionalen magnetischen Strukturen, in denen die atomaren Stabmagnete in alle Raumrichtungen zeigen können.

Das Team aus Forschenden der Universitäten Hamburg und Kiel untersuchte ein Modellsystem für einen Antiferromagneten an einer Grenzfläche: eine nur zwei atomare Lagen dicke Schicht aus Manganatomen, die auf der Oberfläche eines Iridiumkristalls gewachsen wurde. Die Hamburger Forschenden nutzten zur Abbildung der magnetischen Ordnung in diesem Mangan-Film die spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie – eine Mikroskopietechnik, die es erlaubt, magnetische Strukturen bis auf die atomare Skala aufzulösen.

„In den Rastertunnelmikroskopie Bildern tauchte ein komplexes magnetisches Netzwerk aus Domänenwänden zwischen antiferromagnetisch geordneten Bereichen auf. Wir konnten sehen, dass es durch die implantierten Argon-Blasen erzeugt wurde“, erläutert die Projektleiterin Privatdozentin Dr. Kirsten von Bergmann vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg:  „An den Kreuzungspunkten von drei Domänenwänden haben wir zum einen eine Händigkeit der Struktur gefunden, zum anderen haben wir herausgefunden, dass die „atomaren Stabmagnete“ hier in die Richtungen der Ecken eines Tetraeders zeigen, sie also einen Winkel von ca. 109,47° zueinander haben.“ (siehe Abb. 1).

Mittels quantenmechanischen ab-initio Rechnungen, die auf Supercomputern des Verbundes für Nationales Hochleistungsrechnen (NHR) durchgeführt wurden, konnten Forschende der Universität Kiel zeigen, dass es in den Mangan-Schichten aufgrund von magnetischen Austauschkräften zu einer lateralen Verschiebung der obersten Lage kommt. „Dies führt zu einer erheblichen Spannung an Stellen, an denen unterschiedliche Ausrichtungen des magnetischen Zustands aufeinandertreffen und kann die beobachtete Händigkeit an den Kreuzungspunkten erklären,“ wie Professor Dr. Stefan Heinze von der CAU Kiel ausführt. Außerdem konnte von den Kieler Forschenden erklärt werden, wie die drei-dimensionale magnetische Struktur an den Kreuzungspunkten zustande kommt und wie es zu der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Lagen kommt (Abb. 2).

Die Bildung von Domänenwandverzweigungen an implantierten Argon-Blasen kann als reziproker Effekt betrachtet werden, bei dem die induzierte lokale Spannung eine bestimmte Ausrichtung der magnetisch bedingten Scherung des magnetischen Films auswählt. Die ab-initio Rechnungen zeigen, dass gleichzeitig die nicht koplanare magnetische Ordnung an den entstehenden Domänenwandkreuzungen topologische Eigenschaften besitzt. Diese Arbeit liefert einen proof-of-principle, der zeigt, wie die enge Beziehung zwischen Struktur und Magnetismus genutzt werden kann, um komplexe antiferromagnetische Netzwerke zu erzeugen.