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Riesiger Hall-Effekt in magnetischem Halbleiter

Von Rainer Scharf

Einen ungewöhnlich starken magnetoelektrischen Effekt haben Forscher vom Caltech und von der University of California in Santa Barbara entdeckt. Möglicherweise kann man ihn für neue Magnetspeicher oder für die Spinelektronik nutzen.

Kleine Ursache, große Wirkung - das trifft für viele magnetoelektrische Effekte zu. So ändert sich der elektrische Widerstand einiger magnetischer Substanzen oder Schichtstrukturen auf spektakuläre Weise, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist der vor 15 Jahren entdeckte Riesenmagnetwiderstand, mit dessen Hilfe man die Empfindlichkeit der Leseköpfe für Computerfestplatten beträchtlich erhöhen konnte. Seither kann man auf den Festplatten statt einiger Megabytes viele Gigabytes unterzubringen.

Ob der magnetoelektrische Effekt, den jetzt Michael Roukes und David Awschalom sowie ihre Mitarbeiter entdeckt haben, ähnlich revolutionäre Folgen haben wird, ist zwar noch unklar. Aber der "Giant Planar Hall Effect" hat die Forscher allemal überrascht. Sie hatten die elektrischen Eigenschaften dünner Schichten des ferromagnetischen Halbleiters Gallium-Mangan-Arsenid in einem Magnetfeld untersucht und dabei ein "sprunghaftes" Verhalten bemerkt.

(Bild)
Unter dem Elektronenmikroskop: Die kleinste, 6 Mikrometer breite Halbleiterschicht, an der der neue Hall-Effekt beobachtet wurde. Die dunklen Felder sind die elektrischen Kontakte, zwischen denen die Hall-Spannung gemessen wurde. (Quelle: Caltech)

In magnetischen Halbleitern hängt die Energie eines Elektrons sehr stark davon ab, wie sein Spin ausgerichtet ist. Während normale Halbleiter eine "Bandlücke" haben, die das Elektron überwinden muss, um ins Leitungsband zu kommen, weist das magnetische (Ga,Mn)As zwei Bandlücken auf, für jede Spinausrichtung eine. Diese Spinabhängigkeit hat bemerkenswerte Konsequenzen.

Wenn eine stromdurchflossene Halbleiterschicht einem Magnetfeld ausgesetzt ist, so baut sich quer zur Stromrichtung eine elektrische Spannung auf. Normalerweise ändert sich diese Hall-Spannung kontinuierlich, wenn man die Stärke oder Richtung des Magnetfeldes variiert. Nur für extrem starke Magnetfelder beobachtet man eine stufenweise Änderung, den Quanten-Hall-Effekt. Auch in den am Caltech untersuchten (Ga,Mn)As-Schichten trat eine Hall-Spannung auf, wenn das Magnetfeld planar - also parallel zur Schicht - vorlag.

Zunächst blieb die Hall-Spannung unverändert, wenn die Stärke des Magnetfeldes erhöht wurde. Doch bei einer bestimmten Magnetfeldstärke machte die Hall-Spannung einen kräftigen Sprung. Sie drehte sich plötzlich um und zeigte in die "falsche" Richtung. Erst bei einem noch höheren Wert der Feldstärke kehrte die Hall-Spannung in die Ausgangsrichtung zurück. Zu einem ähnlichen Hin-und-her-Springen der Spannung kam es, wenn das Magnetfeld langsam in der Ebene der Schicht gedreht wurde. Da dieser Effekt empfindlich von der Ausrichtung des Magnetfeldes relativ zum Kristallgitter des Halbleiters abhing, konnten die Forscher die Lage der Kristallachsen auf weniger als 0,04 Grad genau bestimmen.

Zwischen den Sprüngen hatte sich in der Halbleiterschicht eine große magnetische Domäne mit einheitlicher Magnetisierung ausgebildet. Unmittelbar vor den Sprüngen kündigte sich das Umklappen der Domäne durch winzige Sprünge in der Magnetisierung an. Die Domäne begann "abzubröckeln". Die Ursachen des neuen Hall-Effekts müssen noch genauer erforscht werden. Doch soviel steht fest: Die Spins der Elektronen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Vielleicht lässt sich der neue Effekt in der Spin-Elektronik oder Spintronics anwenden, die nicht nur die Ladung sondern auch den Spin der Elektronen ausnutzt. 

Quelle
H. X. Tang et al., Giant Planar Hall Effect in Epitaxial (Ga,Mn)As Devices, Phys. Rev. Lett. 90, 107201 (2003).
http://link.aps.org/abstract/PRL/v90/e107201
http://arxiv.org/abs/cond-mat/0210118

Kontakt
Michael Roukes, E-Mail: roukes@caltech.edu
David Awschalom, E-Mail: awsch@physics.ucsb.edu

Weitere Infos

Roukes-Gruppe:
http://nano.caltech.edu/home.html

Awschalom-Gruppe:
http://www.iquest.ucsb.edu/sites/Awsch/

Magnetische Halbleiter:
W. E. Pickett und J. S. Moodera, Half Metallic Magnets, Physics Today 54 (5), 39 (2001).
http://www.aip.org/web2/aiphome/pt/vol-54/iss-5/p39.html

Riesenmagnetwiderstand:
P. Grünberg, Layered Magnetic Structures: History, Highlights, Applications, Physics Today 54 (5), 31 (2001).
http://www.aip.org/web2/aiphome/pt/vol-54/iss-5/p31.html

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