Im nächsten Schritt ging es darum nachzuweisen, dass die in das Ausgangsmaterial eingebauten Kobalt-Ionen auch magnetisch sind. Dazu maßen die Wissenschaftler noch einmal das Resonanzverhalten der Elektronen auf der L-Schale auf die polarisierte Röntgenstrahlung und berechneten die Differenz zwischen beiden Polarisierungsrichtungen. Da das Resonanzverhalten von der Spinrichtung der Elektronen abhängt, gibt dies einen Aufschluss über die Spinverteilung.

Die positiven und negativen Ausschläge der Kurve liefern wichtige Information über den Magnetismus des untersuchten Elements. © RUB

Bei magnetischen Materialien wechselt die Resonanzkurve normalerweise das Vorzeichen zwischen zwei bestimmten „Gipfeln“. Genau dieses Verhalten konnten die Forscher sowohl für Kobalt in Titanoxid als auch für Kobalt in Zinkoxid beobachten.

Wie stabil ist der Magnetismus?
Ein weiterer Nachweis für ferromagnetisches Verhalten ist die magnetische Stabilität. Mit einem Magnetometer kann man sie üblicherweise für die Gesamtheit der Probe messen, das heißt die gesamte magnetische Energie aller Bestandteile der Probe wird summiert. Mit der Methode der RUB-Physiker ist es nun sogar möglich, diese so genannte magnetische Hysterese für jedes einzelne Element einer Probe separat zu bestimmen.

Keine andere Methode bietet diese Möglichkeit – einer der Gründe dafür, dass die ALICE-Messkammer ständig ausgebucht ist. Für die Messung wird ein äußeres, sich veränderndes Magnetfeld angelegt und registriert, wie sich die charakteristischen Energiewerte im polarisierten Röntgenlicht ändern. Wichtige Kenngrößen sind dabei unter anderem der Wert, bei der die Magnetisierung in einer Probe von einer Richtung in eine andere umkippt, und die so genannte magnetische Remanenz, das heißt die Magnetisierung, die übrig bleibt, wenn man das äußere Magnetfeld entfernt.

Implantation erfolgreich
Die Ergebnisse bestätigten, dass die implantierten Kobalt-Ionen bei Raumtemperatur einen stabilen Ferromagnetismus aufweisen. Erst bei einem starken Magnetfeld (ca. 2 Kilo-Oersted) kippte die Magnetisierung von einer Richtung in die andere. Wurde das äußere Magnetfeld weggenommen, blieb die Magnetisierung der Probe vollständig erhalten. Damit war eines der wichtigsten Ziele der ganze Aktion erreicht.

Überraschenderweise fanden die Forscher auch bei Elektronen aus der K-Schale von Sauerstoff-Atomen des Halbleiters ein schwaches magnetisches Signal. Offensichtlich werden in der Nachbarschaft von Kobalt die Sauerstoffionen ebenfalls magnetisch polarisiert. Dies ist ein wichtiger Hinweis auf den zugrunde liegenden Mechanismus der ferromagnetischen Wechselwirkung, der in diesen Materialien theoretisch noch nicht gut verstanden ist.

Es steht aber jetzt schon fest, dass die Ionenimplantation von Kobalt in Titanoxid und Zinkoxid erfolgreich zu neuen magnetischen Halbleitermaterialien führt, die ferromagnetisches Verhalten bei Raumtemperatur und darüber hinaus aufweisen. Dies ist die Grundvoraussetzung für weitere Entwicklungen in Richtung von spintronischen Bauelementen.