Einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von Spin-Ventilen haben Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) erprobt. Mit Ionenstrahlen konnten sie eine Eisen-Aluminium-Legierung so strukturieren, dass das Material auf der Nanometer-Skala in unterschiedlich magnetisierbare Bereiche unterteilt ist. Die Legierung kann somit die Funktion eines Spin-Ventils ausüben, das als Bauelement für die Spintronik von großem Interesse ist. Diese Technologie nutzt für die Informationsspeicherung und -verarbeitung nicht nur die Ladung von Elektronen, sondern auch deren innere magnetische Eigenschaften (Spin). Die Spintronik hat ein großes Potenzial beispielsweise für magnetische Arbeitsspeicher.
Üblicherweise bestehen Spin-Ventile aus nicht-magnetischen und ferromagnetischen Lagen, die übereinander geschichtet werden. Das ist aufwändig, und die zuverlässige Kontaktierung dieser Bauelemente stellt hohe Anforderungen. HZDR-Forscher Dr. Rantej Bali und seine Kollegen verfolgten deshalb einen anderen Weg. „Wir haben Strukturen mit lateraler Spinventil-Geometrie hergestellt, die unterschiedlichen magnetischen Bereiche sind hier nebeneinander angeordnet anstatt übereinander gestapelt“, so Bali. Eine parallele Bearbeitung größerer Oberflächen sollte somit einfach möglich sein und eine kostengünstige Herstellung erlauben.
Gravierende Folgen für Magnetismus
Zunächst haben die Wissenschaftler eine dünne Schicht einer Eisen-Aluminium-Legierung (Fe60Al40) bei 500 Grad Celsius getempert. Dadurch bildete sich eine hochgeordnete Struktur, in der jede zweite Atomlage nur aus Eisenatomen bestand. Diese Substanz verhielt sich, wie die Forscher erwarteten, paramagnetisch – die magnetischen Momente waren also ungeordnet. Anschließend überzogen die Wissenschaftler die Legierung so mit einem Schutzlack, dass auf der Oberfläche ein Streifenmuster entstand. Die freien Bereiche waren abwechselnd zwei Mikrometer und 0,5 Mikrometer breit und durch Lackstege mit einer Breite von 40 Nanometern voneinander getrennt.
Dieses Material wurde dann im Ionenstrahlzentrum des HZDR mit Neon-Ionen bestrahlt – mit gravierenden Folgen. Wie die Forschungsergebnisse der Wissenschaftler zeigen, weist das bestrahlte Material sehr interessante Eigenschaften auf. Unter den schützenden Lackstegen bleibt es paramagnetisch. Doch die schmalen und breiten Streifen dazwischen werden ferromagnetisch. Diese Bereiche lassen sich magnetisieren. „Ein Spin-Ventil wird über das Magnetfeld geschaltet. Je nach Orientierung der Spins – parallel oder antiparallel – ändert sich der elektrische Widerstand. Wir interessieren uns für die Größe des Effektes“, sagt Bali. Ein von außen angelegtes Magnetfeld bewirkt, dass sich die Spins in diesen Bereichen geordnet ausrichten. Je nach Stärke des Magnetfelds können sie parallel oder antiparallel eingestellt werden. Diese Magnetisierung ist permanent und geht nicht verloren, wenn das äußere Feld abgeschaltet wird.
