Hoe twee niet-magnetische materialen magnetisch worden op hun grensvlak
Ook stroomgeleiding tussen twee isolatoren
Twee materialen die zelf helemaal niet magnetisch zijn, maar die op
hun grensvlak wèl magnetisme vertonen: onderzoekers van de
Universiteit Twente en de Radboud Universiteit Nijmegen tonen in het
komende nummer van Nature Materials -nu al online- aan dat het kan.
Net iets eerder, in Physical Review Letters, toonden UT-onderzoekers,
samen met collega's van Stanford University aan waarom diezelfde
isolatoren op hun grensvlak opeens sterk geleidend kunnen worden: al
even verrassend. Een magnetische laag kan in toekomstige nanoschaal
informatiedragers een belangrijke rol spelen. Dat het onderwerp `hot'
is, blijkt bovendien uit een overview-artikel in het juninummer van
Physics Today.
De onderzochte materialen zijn zogenaamde perovskieten waarnaar de
leerstoelen Anorganische Materiaalkunde en Lage Temperaturen binnen
het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie al langer onderzoek doen. Dat
zijn oxidische materialen met verrassende eigenschappen zoals
hoge-temperatuur supergeleiding en ferro-elektriciteit. Hoewel de
materiaaleigenschappen nog lang niet allemaal verklaard zijn, is het
onderzoek uitgebreid tot combinaties van materialen. Wanneer twee
verschillende materialen op elkaar gestapeld worden, blijkt het
grensvlak zich heel anders te kunnen gedragen dan de bulk van het
materiaal. Zo bleek het grensvlak tussen strontium-titanaat (SrTiO )
en lanthaan-aluminaat (LaAlO ), allebei isolatoren, sterk geleidend
te worden. Uit het onderzoek van Stanford en Twente bleek al dat,
naast intrinsiek opgebouwde lading, lege zuurstofplaatsen een
belangrijke rol spelen in de stroomgeleiding. Het in Nature Materials
gepubliceerde onderzoek laat zien dat deze isolatoren, beide
niet-magnetisch, ook nog eens magnetisme gaan vertonen op hun
grensvlak.
Atoomlaag op atoomlaag
Om zo'n grensvlak te bestuderen is controle van de groei van de
materialen op atomaire schaal nodig. Met behulp van laserpulsen kunnen
onderzoekers een materiaal eenheidscel voor eenheidscel op een
draagkristal aanbrengen. Een eenheidscel is de kleinste basisstructuur
waaruit een kristal bestaat. De groei van elke eenheidscel kunnen de
onderzoekers tijdens het proces tot in detail volgen. Op het niveau
van de afzonderlijke atomen in een eenheidscel blijken lagen met
verschillende lading voor te komen. Wanneer afwisselend lagen met
netto positieve en negatieve lading gestapeld worden, zijn er
configuraties denkbaar waarbij een extra positieve laag wordt
ingebouwd. Deze lagen blijken nu elektronen beschikbaar te stellen,
die op hun beurt voor geleiding en magnetisme kunnen zorgen.
Inzicht in grensvlakmagnetisme
Door metingen in het High Field Magnet Laboratory van de Radboud
Universiteit Nijmegen, waar één van de grootste magneten ter wereld
staat, is meer inzicht verkregen in het magnetisme aan het grensvlak
tussen SrTiO en LaAlO . Zo blijkt de elektrische weerstand een
sterke functie te zijn van het aangelegde magneetveld. Bij een groot
veld van 30 Tesla is de weerstand 30% lager dan zonder veld. Dit
betekent dat op het grensvlak lokale magnetische momenta aanwezig
zijn, waarvan de uitlijning de weerstand beïnvloedt. Bovendien is het
verband tussen weerstand en temperatuur logaritmisch, een verschijnsel
dat suggereert dat ook het Kondo-effect optreedt. Dit
quantummechanische effect beschrijft de afscherming van gelokaliseerde
magnetische momenta door vrije elektronen. Bij zeer lage temperatuur
(300 millikelvin) blijkt hysterese voor te komen in de gemeten
weerstand: een sterke indicatie voor het ontstaan van magnetische
ordening over grotere afstanden.
Nieuw modelsysteem
Magnetisme in dunne lagen, en specifiek in halfgeleiderstructuren, is
al een hot topic in de natuurkunde. Met deze nieuwe bevindingen van
magnetisme dat aan een grensvlak wordt opgewekt, ontstaat een geheel
nieuw modelsysteem voor fundamenteel onderzoek naar magnetische
interacties in materialen, maar breder gezien ook naar verschijnselen
die misschien niet in de bulk van materialen voorkomen, maar nu door
een grensvlak kunstmatig opgeroepen kunnen worden.
De atomaire stapeling van de materialen SrTiO en LaAlO zorgt
voor een overdracht van lading naar het grensvlak. De elektronen
vormen gelokaliseerde magnetische momenta in materialen die van
zichzelf helemaal niet magnetisch zijn.
Noot voor de pers
De betreffende publicaties kunnen per email, als pdf-bestand,
toegestuurd worden.
Nature Materials, online op 3 juni 2007, in druk in het julinummer
Magnetic effects at the interface between nonmagnetic oxides
A. Brinkman, M. Huijben, M. van Zalk, J. Huijben, W.G. van der Wiel,
G.Rijnders, D.H.A. Blank, H. Hilgenkamp (MESA+) U. Zeitler, J.C. Maan
(Radboud Universiteit)
Physics Today, juni 2007,
Evidence suggests that a ferromagnetic metal may lie at the interface
between nonmagnetic insulators by B.G. Levi
Physics Today, June (2007)
Physical Review Letters, 98, 196802 (2007)
Origin of Charge Density at LaAlO on SrTiO Heterointerfaces:
Possibility of Intrinsic Doping
W. Siemons (Stanford en UT), G. Koster, W.A. Harrison, Th. H. Geballe,
M.R.Beasly (Stanford), H. Yamamoto (Stanford en NTT Japan), G.
Lucovsky (North Carolina State University), D.H.A. Blank (UT)
Contactpersoon: Wiebe van der Veen, tel (053) 4894244
Top
Laatst gewijzigd op 04-06-2007 16:13:17 door Webmaster
Universiteit Twente