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6. August 2020 Spintronik: Forscher zeigen, wie sich nichtmagnetische Materialien magnetisch machen lassen

Eigentlich nicht-magnetische Oxid-Materialien lassen sich durch ein komplexes Verfahren so verändern, dass sie magnetisch werden. Grundlage für dieses neue Phänomen ist ein kontrolliertes Wachstum der einzelnen Materialschichten Atomlage für Atomlage. Über das unerwartete Ergebnis berichtet ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in der Fachzeitschrift "Nature Communications".

In der Festkörperphysik sind wenige Nanometer dünne Oxidschichten bekannt für die Herausbildung eines sogenannten zweidimensionalen Elektronengases. Diese dünnen Schichten sind getrennt voneinander jeweils durchsichtige und elektrisch isolierende Materialien. Wenn aber eine dünne Schicht auf einer anderen wächst, bildet sich unter bestimmten Bedingungen an der Grenzfläche ein leitender Bereich aus, der metallisch glänzt. "Normalerweise bleibt dieses System nichtmagnetisch", sagt Prof. Dr. Ingrid Mertig vom Institut für Physik der MLU. Dem Forschungsteam ist es gelungen, die Bedingungen beim Schichtwachstum so zu steuern, dass in den grenzflächennahen Atomlagen Leerstellen entstehen, die später durch Fremdatome aus benachbarten Atomlagen aufgefüllt werden. Die entstehenden Objekte verursachen die magnetischen Eigenschaften an der Grenzfläche.

Die theoretischen Berechnungen und Erklärungen für dieses neu entdeckte Phänomen haben die Physiker um Ingrid Mertig angefertigt. Experimentell überprüft wurde das Verfahren dann von mehreren Arbeitsgruppen in ganz Europa - auch von der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Kathrin Dörr von der MLU, die den Magnetismus in den Materialien nachweisen konnte. "Durch diese Kombination aus Computersimulationen und Experimenten konnten wir den komplexen Mechanismus entschlüsseln, der für die Entstehung des Magnetismus verantwortlich ist", so Mertig.

Die Studie geht auf die Arbeit des ehemaligen Sonderforschungsbereichs 762 "Funktionalität oxidischer Grenzflächen" an der MLU zurück, der von 2008 bis 2019 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde.

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2. Juli 2020 Spintronik: Schnellere Datenverarbeitung durch ultrakurze elektrische Pulse

Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Lanzhou University in China haben ein einfaches Konzept entwickelt, mit dem sich magnetische Datenspeicher entscheidend verbessern lassen könnten. Mithilfe ultrakurzer elektrischer Pulse im Terahertz-Bereich können Daten sehr schnell geschrieben, gelesen und gelöscht werden. Das würde die Datenverarbeitung schneller, kompakter und energiesparender machen, wie die Forscher anhand komplexer Simulationen herausfanden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "NPG Asia Materials" veröffentlicht.

Magnetische Datenträger werden vor allem dort eingesetzt, wo große Datenmengen verarbeitet werden und langfristig sicher gespeichert werden sollen - beispielsweise in den Servern sozialer Netzwerke. Einmal gespeichert, sind die Informationen auch nach vielen Jahren noch abrufbar. Elektrische Datenträger, wie sie unter anderem in Handys eingesetzt werden, sind ohne Energiezufuhr viel kurzlebiger. Magnetische Festplatten und Bauelemente haben jedoch auch Nachteile: Sie nutzen bewegliche mechanische Teile und Magnetfelder. Das macht die Technik energieintensiv, das Schreiben und Lesen mit Magnetfeldern ist zudem relativ langsam.

"Wir haben nach einer schnellen und sparsamen Alternativmethode gesucht", sagt Prof. Dr. Jamal Berakdar vom Institut für Physik der MLU. Zusammen mit Kollegen der Lanzhou University hat er eine simple Idee ausgearbeitet: Mithilfe von ultrakurzen Pulsen im Terahertz-Bereich könnten Informationen in magnetischen Nanowirbeln geschrieben und innerhalb von Pikosekunden geschaltet werden. Das bedeutet, theoretisch wären Milliarden von Schreib- und Lesevorgänge pro Sekunde möglich.

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26. Juni 2020 Chemiker erzielen Durchbruch bei der Synthese von Graphen-Nanobändern

Nanobänder aus Graphen lassen sich in Zukunft deutlich einfacher herstellen als bisher. Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der University of Tennessee und des Oak Ridge National Laboratory in den USA ist es erstmals gelungen, das vielseitige Material direkt auf Halbleiter-Stoffen herzustellen. Bisher war das nur auf Metall-Oberflächen möglich. Mit dem neuen Ansatz lassen sich auch die Eigenschaften der Nanobänder wie gewünscht anpassen. Einsatz finden könnte das Material zum Beispiel in der Speichertechnik. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der aktuellen Ausgabe von "Science".

Graphen wird in Fachkreisen seit Jahren als Material der Zukunft gehandelt. Dabei handelt es sich vereinfacht gesagt um zweidimensionale Kohlenstoffflächen, die in ihrer Struktur an Bienenwaben erinnern. Durch seine spezielle Anordnung erhält das Material besondere Eigenschaften: Es ist zum Beispiel äußerst stabil und ultraleicht. Graphen-Nanobänder sind dabei von besonderem Interesse, weil sie ein Halbleitermaterial sind, das zum Beispiel in der Elektro- und Computerindustrie eingesetzt werden könnte. "Deshalb konzentrieren sich viele Arbeitsgruppen weltweit auf Graphen-Nanobänder", erklärt der Chemiker Prof. Dr. Konstantin Amsharov von der MLU.

Gemeinsam mit Forschern aus Deutschland, den USA und Polen ist es ihm nun gelungen, die Herstellung der begehrten Nanobänder sehr stark zu vereinfachen: Dafür nutzte das Team ein Verfahren, um das Material herzustellen, bei dem einzelne Atome aneinandergefügt werden. So lassen sich die Eigenschaften wie gewünscht anpassen. Den Forschern ist es nun zum ersten Mal gelungen, die Bänder auf der Oberfläche von Titanoxid, einem nicht-metallischen Material, herzustellen. "Bisher wurden die Bänder vor allem auf Goldoberflächen synthetisiert. Das ist nicht nur vergleichsweise teuer, sondern auch unpraktisch", so Amsharov. "Mit unserer neuen Methode haben wir die komplette Kontrolle darüber, wie die Graphen-Nanobänder zusammengesetzt werden. Das Verfahren ist technologisch relevant, kann also auch industriell angewendet werden, und ist kostengünstiger als bisherige Ansätze", fasst Amsharov zusammen. Die Anwendungsgebiete für die Nanobänder sind groß: Sie könnten künftig in der Speicher- und Halbleitertechnik zum Einsatz kommen und sind auch eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern.

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8. Juni 2020 Neue Studie: Chemiker der Uni Halle können einheitliche Chiralität gezielt herbeiführen

Die Chiralität ist eine fundamentale Eigenschaft von vielen organischen Molekülen. Sie besagt, dass chemische Verbindungen nicht nur in einer, sondern zwei spiegelbildlichen Formen vorliegen können. Chemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg haben nun einen Weg gefunden, die Chiralität in kristallinen, flüssig-kristallinen und flüssigen Stoffen spontan, ohne einen äußeren lenkenden Einfluss, herbeizuführen. Die Erkenntnisse könnten für die Entwicklung neuer Wirkstoffe und für die Materialwissenschaften von Bedeutung sein. Die Studie erschien kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift "Chemical Science" der Royal Society of Chemistry.

Die Chiralität ist eine Eigenschaft von nahezu allen Molekülen, die in der Natur zu finden sind: "Moleküle sind räumliche Anordnungen von miteinander verknüpften Atomen. Für viele Moleküle gibt es aber nicht nur eine Form, die sie einnehmen können, sondern mindestens zwei", erklärt der Chemiker Prof. Dr. Carsten Tschierske von der MLU. Sind diese Formen spiegelbildlich zueinander, spricht man von Chiralität.

Bei normalen chemischen Reaktionen im Labor entstehen beide spiegelbildlichen Formen in gleichen Mengen. "In der Natur ist das anders: Kohlenhydrate, Aminosäuren und Nukleinsäuren haben jeweils nur eine dominante Form", so Tschierske. Und das aus gutem Grund: Die Nukleinsäuren, zum Beispiel, sind die Informationsträger unseres Erbguts, der DNA. Schon kleinste Änderungen des Erbguts können zu folgenschweren Krankheiten führen. "Wenn es nun für jede Nukleinsäure zwei Formen geben würde, wäre der Aufbau unserer DNA chaotisch, weil es zu viele Variationsmöglichkeiten geben würde. Das Leben, wie wir es kennen, wäre unmöglich", so Tschierske.

Die hallesche Studie trägt zum Verständnis bei, wie sich die einheitliche Biochiralität vor Millionen von Jahren entwickelt haben könnte. Gleichzeitig liefert sie neue Erkenntnisse dafür, wie sich Chiralität spontan erzeugen lässt. Der Anwendungsbereich hierfür ist groß: So werden etwa chirale Substanzen als Wirkstoffe in der Medizin eingesetzt und die Erkenntnisse lassen sich womöglich auch für verschiedenste Materialien nutzen, die zum Beispiel in der optischen Informationsverarbeitung zum Einsatz kommen können.

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14. Mai 2020 Chemiker der Uni Halle entdecken, wie sich bessere Elektroden herstellen lassen

Fortschritt für erneuerbare Energien: Die Produktion von grünem Wasserstoff könnte künftig noch effizienter ablaufen. Chemikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist es durch einen ungewöhnlichen Prozessschritt gelungen, preiswerte Materialien für Elektroden so zu behandeln, dass sich ihre Eigenschaften in der Elektrolyse deutlich verbessern. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichte die Gruppe im Fachjournal "ACS Catalysis".

Wasserstoff soll das Speicherproblem der erneuerbaren Energien lösen. Er lässt sich in lokalen Elektrolyseuren produzieren, zwischenspeichern und dann mit hohem Wirkungsgrad in einer Brennstoffzelle wieder zu Strom machen. Darüber hinaus dient er als wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. Die grüne Produktion von Wasserstoff hapert jedoch noch an der schlechten Umsetzung des eingebrachten Stromes. "Ein Grund dafür ist, dass der zyklische Strom aus Sonne und Wind die beteiligten Materialien durch die dynamische Belastung schnell an ihre Grenzen bringt, so dass vor allem günstige Katalysatormaterialien schnell an Aktivität einbüßen", erläutert Prof. Dr. Michael Bron vom Institut für Chemie der MLU das Grundproblem.

Seine Arbeitsgruppe hat jetzt eine Methode entdeckt, mit der sich sowohl die Stabilität als auch die Aktivität von preiswerten Nickelhydroxid-Elektroden deutlich erhöhen lässt.

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4. März 2020 Magnetische Wirbel als Informationsträger der Zukunft

Wirbel, die in bestimmten magnetischen Materialien auftreten. Diese Nano-Objekte könnten als digitaler Informationsträger genutzt werden – je nach Anwesenheit oder Abwesenheit in einem magnetischen Streifen. Ein Forschungsteam der Max-Planck-Institute (MPI) für Mikrostrukturphysik in Halle und für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) hat nun entdeckt, dass beide Wirbel in bestimmten Materialien koexistieren können, was das Speicherpotential weiter erhöht. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht.

Durch die drastisch gestiegene Anzahl an elektronischen Geräten hat sich der Bedarf an Speicherplatz in den letzten Jahren dramatisch erhöht. Mit herkömmlichen Speicher-Technologien ist es schwierig geworden, mit dieser Entwicklung Schritt zu halten. Gleichzeitig steht der hohe Energieverbrauch dieser Technologien - hard disk drives (HDD) und random-access memories (RAM) - einer "grünen Zukunft" im Weg. Daher werden komplett neue, leistungsfähigere Speicher mit einem geringeren Energieverbrauch benötigt.

Ein vielversprechendes Konzept ist der magnetische "Racetrack"-Datenspeicher. Er besteht aus einzelnen nanoskopisch kleinen magnetischen Streifen (den "Racetracks"), in denen die Information über magnetische Nano-Objekte gespeichert ist - zum Beispiel über die Anwesenheit oder die Abwesenheit gleichartiger Objekte an bestimmten Positionen. Ein möglicher Informationsträger ist das magnetische (Anti-)Skyrmion. Es ist ein enorm stabiler Wirbel der Magnetisierung mit einer variablen Größe zwischen Mikrometern und Nanometern. Die einzelnen Objekte können geschrieben, gelöscht, gelesen und mit Strömen bewegt werden. Das heißt, der Speicher arbeitet ohne bewegliche Teile. "Indem man mehrere Racetracks übereinanderstapelt, erhöht sich die Speicherkapazität drastisch verglichen mit solid-state drives (SSD) oder hard disk drives (HDD). Weiterhin arbeitet der Racetrack-Speicher mit einem Bruchteil der Energie herkömmlicher Speichereinheiten. Er ist wesentlich schneller, kompakter und zuverlässiger", erklärt Prof. Dr. Stuart Parkin, Direktor des MPI für Mikrostrukturphysik in Halle und Alexander von Humboldt-Professor an der MLU.

"Skyrmionen und Antiskyrmionen sind 'entgegengerichtete’ magnetische Wirbel. Bis vor Kurzem ging man davon aus, dass diese beiden Objekte nur in unterschiedlichen Materialklassen auftreten können", erklärt Prof. Dr. Ingrid Mertig vom Institut für Physik der MLU. Das Forschungsteam der Max-Planck-Institute in Halle und Dresden und der MLU hat nun jedoch entdeckt, dass Skyrmionen und Antiskyrmionen unter bestimmten Bedingungen sogar in ein und demselben Material koexistieren können. Dr. Börge Göbel, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Mertigs Forschungsgruppe, lieferte die theoretische Erklärung für die unerwartete Entdeckung, die von Jagannath Jena aus Parkins Gruppe gemessen wurde. Die verwendeten Materialien, sogenannte Heusler Verbindungen, wurden von Dr. Vivek Kumar in der Gruppe von Prof. Dr. Claudia Felser am MPI in Dresden hergestellt.

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7. Januar 2020 Physiker Georg Woltersdorf wird Max-Planck-Fellow – Forschungsprojekt zu Spintronik

Prof. Dr. Georg Woltersdorf, Leiter der Fachgruppe Optik am Institut für Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist von der Max-Planck-Gesellschaft in München für fünf Jahre zum Max-Planck-Fellow berufen worden. Als Max-Planck-Fellow wird er ab Januar eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut (MPI) für Mikrostrukturphysik in Halle leiten, die dynamische Phänomene in neuartigen (spin)elektronischen Materialien mit optischen Methoden untersucht. Die Forschung wird mit 500.000 Euro gefördert und dient als Grundlage für die Anwendung in zukünftigen Speicherelementen.

"Die Berufung zum Max-Planck-Fellow empfinde ich als großartige Würdigung unserer Forschung und bisherigen Zusammenarbeit", sagt Georg Woltersdorf. "Sie ermöglicht mir, in den nächsten fünf Jahren gemeinsam mit den Kollegen am Max-Planck-Institut zum einen unsere Methoden weiterzuentwickeln und zum anderen diese Methoden auf die weltweit einmaligen Proben und Materialsysteme aus der Arbeitsgruppe von Stuart Parkin anzuwenden." Am Max-Planck-Institut wird er eine Arbeitsgruppe gemeinsam mit dem Physiker leiten, der mit seiner Forschung bereits jetzt die Speicherelektronik revolutioniert hat und 2014 im Rahmen einer Humboldt-Professur an die MLU und das MPI für Mikrostrukturphysik nach Halle kam. In der Abteilung von Prof. Dr. Stuart Parkin am MPI wurde eine einzigartige Infrastruktur zur Herstellung neuer Materialien für spinelektronische Anwendungen geschaffen. Atom für Atom können auf der Grundlage von theoretischen Rechnungen Materialien mit neuartigen Eigenschaften aufgebaut werden. "Wir freuen uns sehr, die Expertise, das umfangreiche Wissen und die Methoden zu ultraschneller optischer Technik nutzen zu können, die Georg Woltersdorf und sein Team an der MLU entwickelt haben, um so den Geheimnissen unserer auf atomarer Ebene hergestellten Bauelementen auf die Spur zu kommen", so Parkin.

Das Programm der "Max Planck Fellows" wurde 2005 von der Max-Planck-Gesellschaft eingeführt, um die Kooperation zwischen Universitäten und Max-Planck-Instituten zu stärken, indem herausragende Wissenschaftler mit der Leitung einer kleinen Arbeitsgruppe an einem Max-Planck-Institut beauftragt werden. Jährlich werden etwa sieben neue Max Planck Fellows berufen. Nach Prof. Dr. Ingrid Mertig im Jahr 2008 und Prof. Dr. Wolf Widdra im Jahr 2012 ist Prof. Woltersdorf bereits der dritte Forscher vom Institut für Physik der MLU, der nun zum Fellow am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle berufen wird.

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(letzte Änderung: 06.08.2020, 09:30 Uhr)