Experimentelle Untersuchungen am magnetischen Hybridsystem (Ga,Mn)As/MnAs

Die heutige Halbleiterelektronik und Optoelektronik basiert auf elektrischen Strömen und Spannungen, wobei hauptsächlich die Ladungseigenschaft der Elektronen ausgenutzt wird. Elektronen besitzen aber auch noch eine weitere interessante Eigenschaft, und zwar den Spin. Die Idee, beide Eigenschaften gleichzeitig in Bauelementen auszunutzen, ist der Grundgedanke eines neuen Forschungsgebiets innerhalb der Physik, der sog. Spinelektronik (auch einfach Spintronik genannt). Sie wird als eine der Schlüsseltechnologien der Zukunft angesehen, da man sich von ihr wesentlich schnellere und leistungsfähigere Bauelemente verspricht, die zudem noch größere Informationsdichten aufweisen und sparsamer mit der Energie umgehen. In ihr werden Elektronik, Optik und Magnetismus synergetisch miteinander verknüpft. Die neue Ära begann 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts in metallischen Schichtsystemen (giant magnetoresistance) durch Baibich et al.. GMR ist die dramatische Änderung der Leitfähigkeit in alternierenden ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten bei angelegtem Magnetfeld. Auf dem GMR-Effekt basierende Leseköpfe in Festplattenlaufwerken, die IBM 1997 ankündigte, sind zur Zeit die wichtigste Anwendung dieses Effekts. Durch sie wird die Speicherdichte um das 20-fache gesteigert. Eine der weiteren Anwendungen ist der magnetische Arbeitsspeicher MRAM (magnetic random access memory). Dies ist ein Permanentspeicher (non-volatile storage), der seine Information auch ohne Stromversorgung noch behält, d.h. das lästige "Hochfahren" von Computern würde in Zukunft der Vergangenheit angehören! Man könnte immer dort weiter arbeiten, wo man das letzte Mal aufgehört hat. Seine Vorteile liegen außerdem in einem reduzierten Energieverbrauch, 1000-fach schnellerer Schreibgeschwindigkeit im Vergleich zum EPROM (erasable programmable read-only memory) und bei einer um fünf Größenordnungen schnelleren Auslesegeschwindigkeit gegenüber Festplattenlaufwerken. Prototypen dieser MRAMs mit Kapazitäten in der Megabit-Region existieren bereits. Diese neuartigen Bauelemente funktionieren bisher auf Basis ferromagnetischer Metalle. Um sie mit bewährten Bauelementen direkt kombinieren zu können, ist man bestrebt, die Spintronik kompatibel zur bestehenden Halbleiter-(Opto-)Elektronik zu gestalten. Deswegen ist man auf der Suche nach ferromagnetischen Halbleitern. Im Rahmen der Spintronik sollte es möglich sein, Spins zu polarisieren, transportieren, injizieren, speichern, detektieren und manipulieren. Wie Michael Oestreich et al. anhand eines paramagnetischen (II,Mn)VI-Halbleiters gezeigt haben, sind verdünnte magnetische Halbleiter (VMH), bei denen ein Teil der Ionen durch magnetische Ionen ersetzt ist, aufgrund ihrer riesigen Zeemanaufspaltung besonders dazu geeignet, Elektronen mit einer hohen Spinpolarisation in Halbleiter zu injizieren. VMH sind also im Gegensatz zu ferromagnetischen Metallen, die bei der Injektion grundsätzlich nur eine geringe Spin-Polarisation erlauben, gute Spin-Ausrichter (Spin-Aligner). Allerdings funktioniert dies mit (II,Mn)VI-VMH nur bei sehr tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Ferromagnetische Halbleiter könnten dort Abhilfe schaffen. GaAs ist neben Si das bedeutendste Halbleitermaterial. Durch Einbringen von magnetischen Mangan-Ionen ist es bereits gelungen, Curietemperaturen von bis zu 172 Kelvin zu erreichen. Für etwaige spätere Anwendungen sind allerdings Curietemperaturen oberhalb der Raumtemperatur wünschenswert, damit die Bauelemente ohne aufwendige Kühlung arbeiten könnten. Das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Hybridsystem, welches aus erstmals mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellten (Ga,Mn)As-Schichten mit eingebetteten ferromagnetischen MnAs-Clustern besteht, könnte sich als geeignet herausstellen. Einerseits liegt die Curietemperatur bei etwa 330 Kelvin und andererseits lassen sich die Schichten auf gängige Halbleiter wie GaAs aufwachsen. Mit AlAs können sie sogar überwachsen werden. Ein weiterer Vorteil dieses Hybridsystems liegt darin, dass es durch geeignete Dotierung n-leitend wird, was aufgrund der im Vergleich zur p-Leitung langsameren Spindephasierungszeiten ebenso wünschenswert ist. In der vorliegenden Arbeit werden in Kapitel 2 zunächst die grundlegenden Eigenschaften von (Ga,Mn)As und MnAs, sowie die untersuchten Proben vorgestellt. Kapitel 3 beschäftigt sich mit systematischen Winkel- und Temperatur-abhängigen ferromagnetischen Resonanzmessungen (FMR), die Auskunft über die magnetischen Eigenschaften der MnAs-Cluster geben. Magnetooptische Experimente an den Proben sowie ihre interessanten Ergebnisse werden in Kapitel 4 beschrieben. Dort wird u.a. gezeigt, dass das bedeutende Valenzband-Austauschintegral N0ß keine Materialkonstante ist, wie in vielen Beschreibungen des Magnetismus von (Ga,Mn)As angenommen wird, sondern sogar sein Vorzeichen ändern kann

Dill: An Algorithm and a Symbolic Software Package for Doing Classical Supersymmetry Calculations

An algorithm is presented that formalizes different steps in a classical Supersymmetric (SUSY) calculation. Based on the algorithm Dill, a symbolic software package, that can perform the calculations, is developed in the Mathematica programming language. While the algorithm is quite general, the package is created for the 4-D, N=1 model. Nevertheless, with little modification, the package could be used for other SUSY models. The package has been tested and some of the results are presented.Comment: 42 pages, LaTe

Magnetism of a tetrahedral cluster spin-chain

We discuss the magnetic properties of a dimerized and completely frustrated tetrahedral spin-1/2 chain. Using a combination of exact diagonalization and bond-operator theory the quantum phase diagram is shown to incorporate a singlet-product, a dimer, and a Haldane phase. In addition we consider one-, and two-triplet excitations in the dimer phase and evaluate the magnetic Raman cross section which is found to be strongly renormalized by the presence of a two-triplet bound state. The link to a novel tellurate materials is clarified.Comment: 8 pages, 8 figure

A comprehensive microarray-based DNA methylation study of 367 hematological neoplasms

Background: Alterations in the DNA methylation pattern are a hallmark of leukemias and lymphomas. However, most epigenetic studies in hematologic neoplasms (HNs) have focused either on the analysis of few candidate genes or many genes and few HN entities, and comprehensive studies are required. Methodology/Principal Findings: Here, we report for the first time a microarray-based DNA methylation study of 767 genes in 367 HNs diagnosed with 16 of the most representative B-cell (n = 203), T-cell (n = 30), and myeloid (n = 134) neoplasias, as well as 37 samples from different cell types of the hematopoietic system. Using appropriate controls of B-, T-, or myeloid cellular origin, we identified a total of 220 genes hypermethylated in at least one HN entity. In general, promoter hypermethylation was more frequent in lymphoid malignancies than in myeloid malignancies, being germinal center mature B-cell lymphomas as well as B and T precursor lymphoid neoplasias those entities with highest frequency of gene-associated DNA hypermethylation. We also observed a significant correlation between the number of hypermethylated and hypomethylated genes in several mature B-cell neoplasias, but not in precursor B- and T-cell leukemias. Most of the genes becoming hypermethylated contained promoters with high CpG content, and a significant fraction of them are targets of the polycomb repressor complex. Interestingly, T-cell prolymphocytic leukemias show low levels of DNA hypermethylation and a comparatively large number of hypomethylated genes, many of them showing an increased gene expression. Conclusions/Significance: We have characterized the DNA methylation profile of a wide range of different HNs entities. As well as identifying genes showing aberrant DNA methylation in certain HN subtypes, we also detected six genes—DBC1, DIO3, FZD9, HS3ST2, MOS, and MYOD1—that were significantly hypermethylated in B-cell, T-cell, and myeloid malignancies. These might therefore play an important role in the development of different HNs

Local Electronic Structure of Defects in Superconductors

The electronic structure near defects (such as impurities) in superconductors is explored using a new, fully self-consistent technique. This technique exploits the short-range nature of the impurity potential and the induced change in the superconducting order parameter to calculate features in the electronic structure down to the atomic scale with unprecedented spectral resolution. Magnetic and non-magnetic static impurity potentials are considered, as well as local alterations in the pairing interaction. Extensions to strong-coupling superconductors and superconductors with anisotropic order parameters are formulated.Comment: RevTex source, 20 pages including 22 figures in text with eps

Acoustical and optical determination of mechanical properties of inorganically-bound foundry core materials

Inorganically-bound sand cores are used in many light-metal foundries to form cavities in the cast part, which cannot be realised by the mould itself. To enable FEM simulations with core materials, their mechanical properties have to be measured. In this article, we adapt methods to determine the Young’s and shear modulus, the Poisson ratio and the fracture strain of sand cores. This allows us to fully parametrise an ideal brittle FEM model. We found that the Young’s and shear modulus can be obtained acoustically via the impulse excitation technique. The fracture strain was measured with a high-speed camera and a digital image correlation algorithm