Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich nicht zusammen vor. Ihre Verbindung ermöglicht es, die magnetische Ordnung der Materialien mit elektrischen Feldern zu verändern.

Besonders vielversprechend ist das für neuartige Datenspeicher: Mit multiferroischen Materialien könnten sich nanometerkleine magnetische Speicher realisieren lassen, die man durch elektrische Felder entschlüsseln und verändern kann.

Solche Magnetspeicher würden nur wenig Strom verbrauchen und sehr schnell arbeiten. Zudem wären sie auch in der Spintronik einsetzbar – einer neuen Form der Elektronik, die neben der elektrischen Ladung auch den Spin von Elektronen nutzt.

Spiralförmige magnetische Ordnung

Bismutferrit ist ein multiferroisches Material, das auch bei Raumtemperatur elektrische und magnetische Eigenschaften besitzt. Während seine elektrischen Eigenschaften gut untersucht sind, gab es bisher keine geeignete Methode für die Darstellung der magnetischen Ordnung auf Nanometerebene.

Die Gruppe von Georg-H. Endress-Professor Patrick Maletinsky vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel hat Quantensensoren entwickelt, die auf Diamanten mit Stickstoff-Vakanzzentren basieren. Damit konnten sie zusammen mit Kollegen von der Universität Montpellier und der Universität Paris-Saclay in Frankreich erstmals die magnetische Ordnung eines dünnen Bismutferrit-Films abbilden und untersuchen, wie sie in «Nature» berichten.

Zu wissen, wie sich die Elektronenspins verhalten und wie das Magnetfeld geordnet ist, ist für die zukünftige Nutzung von multiferroischen Materialien als Speicher von entscheidender Bedeutung.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass Bismutferrit eine spiralförmige magnetische Ordnung aufweist. Zwei übereinanderliegende Elektronenspins (in der Abbildung rot und blau) sind dabei gegenläufig orientiert und rotieren im Raum. Bisher war man davon ausgegangen, dass diese Rotation in einer Ebene verläuft. Die Quantensensoren wiesen nun nach, dass es durch eine leichte Verkantung der gegenüberliegenden Spins zu einer räumlichen, leicht verdrehten Rotation kommt.

«Unsere Diamant-Quantensensoren erlauben nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative Analyse. Deshalb konnten wir die Spin-Anordnung in Multiferroika zum ersten Mal detailgenau darstellen», erklärt Patrick Maletinsky die Ergebnisse. «Wir sind zuversichtlich, dass sich dadurch die Erforschung dieser vielversprechenden Materialien weiter vorantreiben lässt.»

Leerstellen mit besonderen Eigenschaften

Die verwendeten Quantensensoren bestehen aus winzigen einkristallinen Diamanten, die an zwei benachbarten Stellen im Kristallgitter eine Leerstelle und ein Stickstoffatom aufweisen. In diesen Stickstoff-Vakanzzentren kreisen einzelne Elektronen, deren Spin sehr empfindlich auf äussere elektrische und magnetische Felder reagiert. So lassen sich die Felder mit einer Auflösung von nur wenigen Nanometern abbilden.

Wissenschaftler der Université de Montpellier führten die magnetischen Messungen mit den aus Basel stammenden Quantensensoren durch. Die Proben stammen von Experten des CNRS/Thales-Labors an der Universität Paris-Saclay, die in der Bismutferrit-Forschung führend sind.