Detektionsmethoden für Schlüsseltechnologien wie Nanomagnetismus und Spintronik im Fokus
24.10.2013
Dr. Wolfgang Harneit vom Institut für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat ein Heisenberg-Stipendium erhalten. Damit fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) herausragende Wissenschaftler, die sich auf eine Leitungsposition vorbereiten und in dieser Zeit weiterführende Forschungen bearbeiten möchten. Harneit, der von der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Angelika Kühnle unterstützt wird, wird sich im Rahmen des Heisenberg-Stipendiums damit befassen, wie Elektronenspins auf der Nanoskala erkannt und kontrolliert werden können.
Der Elektronenspin, also der Eigendrehimpuls von Elektronen, gewinnt im Zeitalter der Nanoelektronik zunehmend an Bedeutung. Anwendungsmöglichkeiten werden in der Spintronik, der Quanteninformation, der hochauflösenden Magnetometrie und in bildgebenden Verfahren gesehen. Für viele dieser Anwendungsfelder ist eine kohärente Kontrolle des Spins notwendig, die mithilfe der Elektronenspinresonanz (ESR) prinzipiell erfolgen könnte. Allerdings ist die Empfindlichkeit der ESR auf große Ensembles identischer Spins begrenzt, was mit Nanostrukturen nicht vereinbar ist.
"Wir wollen die Empfindlichkeit der ESR deutlich steigern, indem wir elektrische und optische Detektionsmethoden verwenden", erläutert Harneit. Er verfolgt damit zwei Ansätze, die sich gut ergänzen. Zum einen nutzt er die elektrisch detektierte magnetische Resonanz (EDMR) für die Funktionsanalyse von Solarzellen. "Besonders organische Solarzellen bestehen aus extrem dünnen Schichten verschiedener Materialien, mit zahlreichen Grenzflächen, durch die der Strom transportiert werden muss", so Harneit. "Die EDMR erlaubt uns, Prozesse aufzudecken, die die Effizienz und Stabilität der Solarzellen limitieren." Diese Forschung ist Teil des von Harneit mitorganisierten DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1601 "New frontiers in sensitivity for EPR spectroscopy: from biological cells to nano materials", in dem die Grenzen der Empfindlichkeit der EDMR ausgelotet und optimiert werden.
Zum anderen erlaubt die Kombination von optisch detektierter magnetischer Resonanz (ODMR) und Konfokal-Mikroskopie die Detektion und Kontrolle einzelner Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant. Diese Zentren verwendet Harneit, um die winzigen Magnetfelder zu messen, die von benachbarten magnetischen Molekülen erzeugt werden. Ein aktuelles Projekt auf diesem Gebiet der Quanteninformationstechnologie wird von der VolkswagenStiftung gefördert. "Die EDMR- und ODMR-Methoden haben sehr viel Potenzial und können eine künftige Schlüsseltechnologie für Nanomagnetismus und Spintronik darstellen", erklärt Harneit. Für die Zukunft plant er, die beiden hochempfindlichen Detektionsmethoden miteinander, mit ausgeklügelten elektrischen und optischen Anregungsmethoden und schließlich mit Rastersondenverfahren zu kombinieren. "Dies wird völlig neue Möglichkeiten für Nachweis und Kontrolle magnetischer Momente auf der Nanoskala eröffnen."
Dr. Wolfgang Harneit, geboren 1968, hat Physik und Philosophie an der Universität Hamburg studiert und an der Universität Grenoble in Frankreich promoviert. Als Postdoc und Postdoc-Projektleiter war Harneit bis 2003 am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin tätig und anschließend bis zum Jahr 2011 an der Freien Universität Berlin Leiter einer Arbeitsgruppe zum Thema "Molekulare Spintronik", die im Rahmen des Wettbewerbs NanoFutur des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wurde. Seit Juni 2011 ist er an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in der Arbeitsgruppe "Molecular Self-Assembly" von Prof. Dr. Angelika Kühnle beschäftigt.