Spins Do -Experimenteller Magnetismus

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Ralph Hofer
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17.1.2018 Spins Do -Experimenteller Magnetismus

1 Spins Do -Experimenteller Magnetismus Martin Valldor IBM-Ahmed 1

Rückblick auf flüssige und molekülare Magnete MM lassen sich mit einem

In MM können die Zustände der Clusters thermisch oder durch Tunneln

MM könnten in der Zukunft als Speichermedium benutzt werden ein Bit pro

2 Rückblick auf flüssige und molekülare Magnete MM lassen sich mit einem Gesamt-Spin pro Cluster gut beschreiben. In MM können die Zustände der Clusters thermisch oder durch Tunneln ineinander überführt werden. Tunneln überwiegt bei tiefen Temperaturen. MM könnten in der Zukunft als Speichermedium benutzt werden ein Bit pro Cluster. FF können öfter eingesetzt werden und wird bereits für Krebsterapie, Schlösser, Lautsprechen und als Kontrastmittel bei MRI benutzt. 2

3 Martin Valldor Spin-Leitfähigkeit ein Spinstrom Die Gesichter des Elektrons Lokalisiert Magnetismus Beweglich Leitfähigkeit...und die Mischungen 3

MR e - Elektronische Beweglichkeit In Halbleitern, mit nur einer Art Ladungsträger, MR ist:

4 Martin Valldor Grundlage: die Lorenzkraft B Im Metall koppelt der Spin vom Elektron ans Feld und wird dadurch abgelenkt. Die Auslenkung vom Elektron führt zu einem grösseren Widerstand. MR e - Elektronische Beweglichkeit In Halbleitern, mit nur einer Art Ladungsträger, MR ist: (1 + (μb) 2 ) Feld d.h. bei InSb (m = 4) und 0.25 T ist MR 100 % Positiver Magnetowiderstand B 4

5 r r 0 Leitfähigkeit vom Paramagnet im Feld inetwa prop. zur Spinpolarization Martin Valldor B Der widerstand nimmt mit mehr Feld ab Ni in Cu Ni/Cu = 0.4/0.6 Negativer Magnetowiderstand 5 R.W. Houghton and M.P. Sarachik, J.S, Kouvel, Solid State Communications, Vol.8, pp , 1970

6 B Leitfähigkeit im Feld mit Spinordnung B Bei Ferromagnete nimmt der Widerstand ab mit dem Feld - Ist aber ein Anisotroper Effekt. Martin Valldor r perp V r para e - e - 6 B.R.Coles Advanc. Phys., 7 (1958) 40

7 Giant Magneto Resistance (GMR) eine Frage der Topologie (FerroMagnetisches Metall) FMM Peter Grünberg Nobelpreis 2007 Nicht magnetisch grosser Widerstand kleiner Widerstand 7 Martin Valldor

Colossal Magneto Resistance (CMR) wir erinnern uns an den Doppelaustausch ein Rückblick Martin Valldor Ferromagnetism gleich Leitfähigkeit e g t2g e g t2g

8 Colossal Magneto Resistance (CMR) wir erinnern uns an den Doppelaustausch ein Rückblick Martin Valldor Ferromagnetism gleich Leitfähigkeit e g t2g e g t2g Mn 3+ (d 4 ) O Mn 4+ (d 3 ) e g t2g e g t2g Mn 4+ (d 3 ) O Mn 3+ (d 4 ) 8 H. Y. Huang et al. Phys. Rev. Lett 75 (1995) 914 C. Zener Phys. Rev. 82 (1951) 403

9 Colossal Magneto Resistance (CMR) Martin Valldor La 1-x Ca x MnO 3 P. Schiffer, et al. PRL 75 (1995)

Colossal? Magneto Resistance (CMR) ohne Doppelaustausch Martin Valldor 0 T 8 T 4 T 1 mt halb-metall-fm-modell polykristalline Probe M. A. Subramanian,et al.

10 Colossal? Magneto Resistance (CMR) ohne Doppelaustausch Martin Valldor 0 T 8 T 4 T 1 mt halb-metall-fm-modell polykristalline Probe M. A. Subramanian,et al. Science 273 (1996) 81 Welcher magnetischer Zustand beschreibt die Körner? pyrochlor - Tl 2 Mn 2 O 7 (nur Mn 4+ ) Wie kann man dann den CMR Effekt dann erklären? 10 P Velasco, et al. J. Phys.: Condens. Matter 16 (2004)

11 Spintronic 11

Die Legierung ist ferromagnetisch obwohl Mn antiferromagnetisch ist und Cu und Al diamagnetisch sind Heusler-Legierungen Halbmetall Im H-Feld Friedrich Heusler (1866 1947) p d E F p d Cu 2 MnAl.

12 Die Legierung ist ferromagnetisch obwohl Mn antiferromagnetisch ist und Cu und Al diamagnetisch sind Heusler-Legierungen Halbmetall Im H-Feld Friedrich Heusler ( ) p d E F p d Cu 2 MnAl. Geordnetes fcc-gitter. F. Heusler, Verh. Dtsch. Ges. 5, 219 (1903) s s Andere Zusammesetzungen: Cu 2 MnAl, Cu 2 MnIn, Cu 2 MnSn, Ni 2 MnAl, Ni 2 MnIn, Ni 2 MnSn, Ni 2 MnSb Co 2 MnAl, Co 2 MnSi, Co 2 MnGa, Co 2 MnGe Pd 2 MnAl, Pd 2 MnIn, Pd 2 MnSn, Pd 2 MnSb E a Halbleiter Cu 2.2 MnAl 0.8 Nicht-Stökiometrie verursacht Antiferromagnetismus Metall 12 Martin Valldor

13 Halb-Heusler-Legierungen Martin Valldor Mn d-band MnNiSb Keine Inversion bei Mn 13 R. A. de Groot et al., Phys. Rev. Lett. 50 (1983) 2024.

14 Martin Valldor CMR-Verbindungen neigen auch zu Spintronic La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 14 J. H. Park, E. Vescovo, H. J. Kim, C. Kwon, R. Ramesh, T. Ventakesan, preprint.

15 (de)lokalizierte Spins 15

$e - e - e - e - erhebliche Streuung an Elektronenwolken starke Streuung an Phononen d.h. Normaler E-Widerstand ist zu erwarten Wirt\Magnet V Cr Mn Fe Co Ni Cu 1000 K 2 K 10 mk 30 K 500 K >1000K Ag - 10 mk - 5 K - - Au 300 K 1 mk - 0.$

16 Der Spin im Elektronensee Kondoeffekt T > T K : Paramagnetische Einzelmomente T K Jun Kondo 近藤淳 (1930-) T < T K : Einzelmomente werden von Leitungselektronen teils abgeschirmt e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - erhebliche Streuung an Elektronenwolken starke Streuung an Phononen d.h. Normaler E-Widerstand ist zu erwarten Wirt\Magnet V Cr Mn Fe Co Ni Cu 1000 K 2 K 10 mk 30 K 500 K >1000K Ag - 10 mk - 5 K - - Au 300 K 1 mk K 500 K >1000 K Martin Valldor 16 Progress of Theoretical Physics 32 (1964) 37

17 Martin Valldor Kondo Ferromagnet, SmFe 4 P 12 bei 210 Oe (kleinem Feld) Spontane Magnetizierung: Ferromagnet! T c = 1.8 K M(teo) = 0.71 μ B /Sm 3+ Fe macht erstmal magnetisch nichts! Warum nicht? und warum macht Sm trotzdem was?..aber lange nicht polariziert! 17 N. Takeda and M. Ishikawa J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003) L229-L233

Magnetsiche Verunreinigungen im Leiter Kondoeffekt Ce CN18, Frank-Kasper Verbindung CeCu 6 Leitungselektronen sammeln sich um das Moment vom Ce T K!

18 Magnetsiche Verunreinigungen im Leiter Kondoeffekt Ce CN18, Frank-Kasper Verbindung CeCu 6 Leitungselektronen sammeln sich um das Moment vom Ce T K! Spin Ordnung RKKY Maximale Elektronenstreuung an Ce-Elektronenwolke Martin Valldor Sumiyama, A, et al. (1986) Journal of the Physical Society of Japan, 55,

19 Martin Valldor Magnetoelektrische Wechselwirkungen in CoS 2 19 S. Yomo JMMM (1983)

20 Wie kann man polarizierte Leitungselektronen benutzen? 20

21 Anwendung von Spin polarizierte Leitfähigkeit: Super-Spiegel Martin Valldor Neutronen FM 21

22 Martin Valldor Anwendung von Spin polarizierte Leitfähigkeit: Bilder von Magnetischen Flächen A x V Magnetische Spitze y Mn 3 N 2 (010) z.b. bei konstater Spannung Fe auf W Fe/Gd auf W A.R.Smith, et al. Surface Science 561(2-3), 154 (2004). 22

23 Martin Valldor Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) M/M s Ferromagnetische Schichten Tunnelbarriere (Isolator) B Kontrast Kleiner Widerstand Grosser Widerstand Weicher Ferromagnet Isolator Vorgabe Harter Ferromagnet Wie wird ein Bit geschrieben? und Wie wird ein Bit gelesen? 23

Tunnel-Junction-Leser magnetischer Schreiber Strom um die Bits

24 Race-track-Speicher Strom um die Bits zu verschieben Schreiber Leser magnetische Domäne Domänenwand magnetischer Tunnel-Junction-Leser magnetischer Schreiber Strom um die Bits zu verschieben Leseverstärker L. Thomas, et al. Science 330, 2010,

25 Martin Valldor Zusammenfassung Der Spin vom Elektron ist der Grund dafür daß der elektrischer Widerstand vom magnetischen Feld abhängig ist sogar auch anisotrop. Es gibt ferromagnetischen Materialien, die völlig polarisierte Elektronen auf der Fermi-Fläche haben d.h. die Leitungselektronen sind nur in eine Richtung polarisiert. Die Polarisation vom Elektron im Vergleich zur Umgebung ist der Grund für Unterschiede im elektrischen Widerstand. Kleine magnetische Verunreinigungen leisten Beiträge zum elektrischen Widerstand bei tiefen Temperaturen. Die magnetische Ionen werden mehr oder wenigen von Leitungselektronen kompensiert (neutralisiert). Vorgeschrittene elektronische Bauteile werden mit dem magnetoresistiven Effekt verbessert. Nächster Termin Magneto Elektrizität und Elastizität 25

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