Schnelle Festkörper-Spannungssteuerung des Magnetismus in dünnen Filmen aus ferromagnetischem SmCo5 und ferrimagnetischem DyCo5

• Antragsteller: Dr. Xinglong Ye
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528530757

Die Steuerung des Magnetismus und der magnetischen Eigenschaften durch Anlegen kleiner Spannungen wurde aufgrund des extrem geringen Stromverbrauchs in der magnetoelektrischen Aktuierung, Spintronik, Informationsverarbeitung und Datenspeicherung intensiv verfolgt. Bei ferromagnetischen Metallen und Legierungen als Kernmaterialien in wichtigen Technologien war die Steuerung magnetischer Eigenschaften jedoch aufgrund der starken Abschirmung durch elektrische Felder auf die Größenordnung von Atomschichten in der Oberfläche/Grenzfläche beschränkt, und die Änderungen des Magnetismus sind gewöhnlich gering. Wir schlugen das Konzept vor, den Magnetismus durch elektrochemisch getriebene Insertion/Extraktion von Wasserstoffatomen in/aus Zwischengitterplätzen einer Metallstruktur zu kontrollieren. Die Einzigartigkeit dieses Konzepts liegt in der Steuerung der Absorption und Desorption elektrisch neutraler Wasserstoffatome durch elektrochemische Potentiale. In den Vorstudien zeigen wir, dass durch Anlegen von Spannungen von 1 V die magnetokristalline Anisotropie und Koerzitivfeldstärke von mikrometergroßen Sm-Co-Permanentmagneten reversibel um 1 T verändert werden können, zwei bis drei Größenordnungen mehr als durch elektrostatische Aufladung und erreicht Magnetionik. Hier werden wir diesen sehr vielversprechenden Ansatz weiterentwickeln und die folgenden Herausforderungen angehen. Erstens wird es schwierig sein, den wässrigen Elektrolyten, der Wasserstoffatome liefert, in Geräte zu integrieren. Zweitens bleiben die Dynamik des Abstimmungsprozesses und der Mechanismus hinter der enormen Änderung der magnetischen Eigenschaften unklar. Drittens, können wir diesen neu entwickelten Ansatz auf ferrimagnetische Materialien verallgemeinern und sogar antiferromagnetische Austauschwechselwirkungen abstimmen? In diesem Projekt werden wir zunächst auf die Verwendung von wässrigen Elektrolyten verzichten und die Spannungssteuerung der Wasserstoffinsertion/-extraktion in einem vollständig festkörperelektrochemischen System realisieren. Darüber hinaus werden wir unseren Ansatz auf dünne Schichten des Sm-Co-Systems anwenden und die Dynamik der spannungsunterstützten Magnetisierungsumkehr untersuchen. Unter Verwendung von magneto-optischer Kerr-Effekt-Mikroskopie in situ, anomalen Hall-Effekten in situ und magnetischem Circulardichroismus in situ-Röntgenstrahlen werden wir dann den Mechanismus hinter der enormen Änderung von Anisotropie und Koerzitivfeldstärke untersuchen. Abschließend verallgemeinern wir unseren Ansatz auf dünne Schichten ferrimagnetischer DyCo5-Systeme und untersuchen die Modulation von antiferromagnetischen 4f-5d-3d-Austauschwechselwirkungen, Kompensationstemperaturen und Koerzitivkraft. Mit dem erfolgreichen Abschluss des Projekts erwarten wir eine schnelle, vollständige Festkörper-Manipulation der magnetischen Eigenschaften sowohl im ferromagnetischen als auch im ferromagnetischen 3d-4f-System durch Anlegen kleiner Spannungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Oliver Gutfleisch; Dr. Konstantin Skokov, Ph.D.