Ein Blick für magnetische Wellen

Eine neue Methode erkennt, ob auf einer Festkörperoberfläche Gitterschwingungen oder Spinwellen angeregt werden

Ob Physiker auf der Oberfläche eines Materials mit magnetischer Ordnung Schwingungen des Kristallgitters oder Spinwellen anregen, können sie künftig klar unterscheiden. Der Spin lässt sich in einem einfachen Bild als magnetisches Moment eines einzelnen Elektrons betrachten. Rotieren die Spins vieler Elektronen in aufeinander abgestimmter Weise, sprechen Physiker von Spinwellen. Diese lassen sich in der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) mit einem Elektronenstrahl anregen, vereinfacht gesprochen in schnellere Rotation versetzen. Das erfordert ähnliche Energien, wie zur Anregung einer Gitterschwingung nötig sind. Mit Hilfe der spinpolarisierten Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (SPEELS) können Physiker nun zwischen beiden Elementaranregungen differenzieren. Das könnte ihnen helfen, die Vorgänge bei der Magnetisierung im Detail zu verstehen. Dieses Verständnis wiederum ist die Voraussetzung dafür, ultraschnelle Datenspeicher zu entwickeln.

Seit Physiker nicht nur die Ladung eines Elektrons betrachten, sondern auch seinen Eigendrehimpuls, den ‚Spin’, der dem Elektron ein magnetisches Moment gibt, eröffnet sich ihnen eine Fülle neuer Möglichkeiten. Das gilt zum einen für Anwendungen wie zum Beispiel die ‚Spintronik’, bei der Information nicht in der Ladung, sondern im Spin gespeichert wird und die besonders schnelle und energiesparende Informationsverarbeitung verspricht. Für Physiker ist es zum anderen für viele grundlegende Untersuchungen wichtig, den Spin zu betrachten, etwa um den Magnetismus oder die Supraleitung zu verstehen. Daher entwickeln sie Methoden neu oder weiter, damit diese ihnen etwas über den Spin verraten.

Genau das haben Physiker um Jürgen Kirschner am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle für die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) getan: Dabei bestrahlen sie die Oberfläche eines Materials mit Elektronen und messen, welche Energien die an der Oberfläche gestreuten Elektronen aufweisen. In der verfeinerten Form betrachten die Physiker aus Halle nur die Streuung von Elektronen einer bestimmten Spinrichtung: Aus EELS ist SPEELS, die spinpolarisierte Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie geworden.

Mit Hilfe von SPEELS-Experimenten an sauerstoffbedeckten Eisenoberflächen haben Khalil Zakeri, Jürgen Kirschner und ihre Kollegen jetzt zwei wichtige Elementaranregungen voneinander unterschieden: Gitterschwingungen oder Phononen der Eisen- beziehungsweise Sauerstoffatome und Spinwellen, die Physiker auch Magnonen nennen. An magnetischen Oberflächen besitzen beide nämlich ähnliche Anregungsenergien. In einem herkömmlichen EELS-Experiment können die Physiker also nicht unterscheiden, ob die eingestrahlten Elektronen Energie verlieren, weil sie eine Gitterschwingung anregen oder eine Spinwelle.

Ob und wie sich der Spin der eingestrahlten Elektronen ändert, wenn diese an der Oberfläche gestreut werden, hängt grundsätzlich davon ab, ob Magnonen oder Phononen angeregt werden. Das stellten die Physiker aus Halle fest, indem sie die magnetische Oberfläche (das sauerstoffbedeckte Eisen) einerseits mit Elektronen bestrahlten, deren Spins genau wie die Spins dieser magnetischen Oberfläche ausgerichtet waren (Spin = + ½, Spin-up genannt), andererseits mit Elektronen, deren Spins genau entgegengesetzt ausgerichtet waren (Spin = - ½ oder Spin-down). Dann maßen sie die so genannte Spin-Asymmetrie. Das ist im Wesentlichen die Differenz zwischen den zurückgestreuten Spin-down- und Spin-up-Elektronen.

Wird ein Magnon angeregt, so hat das Elektron, das von der Oberfläche wieder zurückgestreut wird, genau den entgegengesetzten Spin wie das zuvor eingestrahlte Elektron. Denn ein Magnon besitzt den Spin 1. Wird es angeregt, verbraucht es also genau die Differenz zwischen Spin-down und Spin-up. Anders ist es, wenn mit Hilfe des Elektrons ein Phonon angeregt wird. Ein Phonon besitzt keinen Spin, aus seiner Sicht ist es also völlig egal, welchen Spin die eingestrahlten Elektronen aufweisen. Daher unterscheiden sich auch die Spinrichtungen von eingestrahltem und gestreutem Elektronenstrahl nicht.

Anhand von ab-initio-Berechnungen, also von Simulationen, die an keine Messwerte angepasst werden, sondern in die lediglich Naturkonstanten eingehen, ermittelten Pavel Ignatiev und Valeri Stepanyuk ebenfalls am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik für die beteiligten Gitterschwingungen (Phononen) überdies, welche Atomsorte – Eisen oder Sauerstoff – in welcher Richtung schwingt. Die Ergebnisse dieser Simulationen stimmten mit den gemessenen SPEEL-Spektren überein.

Da die Forscher aus Halle nun Phononen und Magnonen voneinander unterscheiden können, tragen sie dazu bei, den Prozess der Magnetisierung im Einzelnen zu verstehen. Diese Erkenntnis ist aber nicht nur von grundsätzlichem wissenschaftlichem Interesse: Zum einen kann sie dazu beitragen, ultraschnelle Speichermedien zu entwickeln. Zum anderen können Gitterschwingungen (Phononen) und Spinwellen (Magnonen) wie jede Welle – zum Beispiel Licht- oder Radiowellen – dazu genutzt werden, Information zu übertragen. Wenn sich Phononen und Magnonen voneinander unterscheiden lassen, stehen jetzt auf einer magnetischen Oberfläche zwei unabhängige Träger der Information zur Verfügung. Die Arbeit der Forscher aus Halle könnte damit die Basis für neue Wege in der Informationsverarbeitung legen.

she