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Oberflächenmagnetismus auf einem nicht-magnetischen Kristall

Seit vielen Jahrzehnten wurde in der physikalischen Literatur darüber spekuliert, ob es ein natürlich vorkommendes Material gibt, das eine magnetische Oberfläche hat, dessen Inneres aber dabei nichtmagnetisch bleibt.

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Im Jahr 2005 hat nun eine Forschergruppe an der TU Wien am Center for Computational Materials Science (Institut für Allgemeine Physik) (http://www.cms.tuwien.ac.at) die Voraussage gemacht, dass dieser Effekt bei der intermetallischen Verbindung YCo2 (Abb. 1) auftreten sollte (S. Khmelevskyi, P. Mohn, J. Redinger, M. Weinert, Physical Review Letters 94, 146403 (2005)).

Auf der Basis von quantenmechanischen Rechnungen zur Bestimmung der elektronischen Struktur an der Oberfläche und im Inneren des Kristalls konnte gezeigt werden, dass die Cobalt Atome der obersten Lage ein magnetisches Moment haben und diese Oberflächenschicht bis deutlich oberhalb der Raumtemperatur ferromagnetisch ist.

Abbildung 1 zeigt die Kristallstruktur von YCo2. Teilt man den Kristall entlang der gelb schraffierten Ebene, erhält man eine Oberflächenschicht von magnetischen Cobalt Atomen. Diese theoretische Voraussage wurde von einer Forschergruppe an der TU Dresden aufgeriffen (Yu. Dedkov und C. Laubschat), die YCo2 auf einer Wolframunterlage aufwachsen ließen. Dies geschah unter streng kontrollierten Bedingungen, sodass die gewünschte Cobalt Oberfläche entstand (Abb. 2). Mit Hilfe von Spin aufgelöster Photo-Elektronen Spektroskopie wurde dann mit zwei verschiedenen photonenenergien zuerst das magnetische Signal aus dem inneren des Kristalls (hohe Photonenenergie) und dann das magnetische Signal der Oberfläche (niedrige Photonenenergie)gemessen.

Es zeigte sich tatsächlich, dass YCo2 im Inneren kein magnetisches Signal liefert (Abb. 3a), die Ausbeute der Photoelektronen mit unterschiedlichem Spin (rote und blaue Kurve) ist gleich groß. An Oberfläche werden die beiden Signale jedoch deutlich unterschiedlich (Abb. 3b),  was die experimentelle Bestätigung der ursprünglichen theoretischen Voraussage liefert. YCo2 stellt somit das erste natürlich vorkommende Material dar, welches Oberflächenmagnetismus zeigt. (Yu. Dedkov, C. Laubschat, S. Khmelevskyi, J. Redinger, P. Mohn, M. Weinert, Physical Review Letters 99, 047204 (2007)). Materialien mit natürlichem Oberflächenmagnetismus könnten ihre Anwendungen bei Spin-Transistoren finden, da bei diesen natürlichen Materialien verschiedene unerwünschte Effekte wegfallen, die bei künstlichen magnetischen Oberflächen (z.B. eine Eisenschicht auf Kupfer) leider vorhanden sind. Dieses Ergebnis sollte nun das Tor zur Suche weiterer derartiger Materialen  eröffnen.