Magnetisme uit niet-magnetische materialen

Sinds de ontdekking van een aantrekkende kracht in bepaalde stenen door de oude Grieken, of zelfs nog eerder door de Chinezen, heeft magnetisme wetenschappers bezig gehouden. Materialen blijken van zichzelf magnetisch te kunnen zijn of kunnen door een andere magneet juist magnetisch worden gemaakt. Pas in de 20ste eeuw is tot op het niveau van de elementaire deeltjes en hun interacties waaruit materie is opgebouwd, duidelijk geworden hoe dat komt. Zo blijken de elektronen die rond een atoomkern bewegen een magnetisch moment te kunnen hebben, analoog aan het verschijnsel dat ronddraaiende elektrische lading een magneetveld kan opwekken (de elektromagneet). De wisselwerking tussen magnetische momenta kan zorgen voor een collectieve uitlijning (alle momenta werken eenzelfde richting uit), wat tot meetbaar magnetisme leidt. In het laboratorium kunnen onderzoekers tegenwoordig dunne lagen van allerlei materialen in gewenste structuren maken (iets waar bijvoorbeeld de halfgeleiderindustrie veel baat bij heeft) en met die structuren komen ook verrassingen aan het licht.

Magnetisme door grensvlakken
Aan het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente wordt al langer onderzoek gedaan naar de materiaalklasse van perovskieten. Dat zijn oxidische materialen met verrassende eigenschappen zoals hoge-temperatuur supergeleiding en ferro-elektriciteit. Hoewel deze 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. Al eerder heeft men in Twente laten zien dat het grensvlak geleidend wordt en nu blijkt het grensvlak tussen de niet-magnetische isolatoren SrTiO₃ en LaAlO₃ dus zelfs magnetisch te worden.

Om een dergelijk grensvlak te bestuderen is een 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 een van de grootste magneten ter wereld staat, is meer inzicht verkregen in het magnetisme aan het grensvlak tussen SrTiO₃ en LaAlO₃. 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 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.

Voor meer informatie kunt u terecht bij dr. Alexander Brinkman, Universiteit Twente, telefoon (053)  489 31 22.

Het artikel is getiteld 'Magnetic effects at the interface between nonmagnetic oxides', de auteurs zijn Alexander Brinkman¹, Mark Huijben¹*, Maarten van Zalk¹, Jeroen Huijben¹, Uli Zeitler², Jan Kees Maan², Wilfred van der Wiel¹, Guus Rijnders¹, Dave Blank¹ en Hans Hilgenkamp¹. Het artikel verschijnt op 3 juni on-line bij Nature Materials en in druk in het juli-nummer van Nature Materials. In de Physics Today van juni 2007 verschijnt er een beschouwing over, onder de titel 'Evidence suggests that a ferromagnetic metal may lie at the interface between nonmagnetic insulators' door B.G. Levi.

¹ Universiteit Twente/MESA+
² Radboud Universiteit Nijmegen/HFML/IMM
* tegenwoordig University of California at Berkeley

Noot: Een groot aantal van de auteurs valt onder de Vernieuwingsimpuls voor talentvolle onderzoekers van NWO. Brinkman is Veni-laureaat, Van der Wiel, Rijnders en Hilgenkamp zijn Vidi-laureaten en Blank is Vici-laureaat.

Een digitale versie van de illustratie kan worden aangevraagd bij Annemarie Zegers, telefoon (030) 600 12 18.