Mikroskop für magnetische Atome

  • 09. November 2017

Neue Technologie für eine magne­tische Bild­gebung oder Daten­verarbeitung.

Direkt sichtbar gemacht wurden Atome vor knapp 35 Jahren in Zürich. Mit dem von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten Raster­tunnel­mikroskop konnten Material­oberflächen mit einer räum­lichen Auflösung von weniger als einem Nano­meter untersucht werden. Forscher um Urs Ram­sperger und Danilo Pescia am Labor für Festkörper­physik der ETH Zürich haben nun gemeinsam mit einem Kollegen der Istanbul Technical University die Möglich­keiten solcher Extrem-Mikro­skope um ein entscheidendes Detail erweitert. Ihnen ist es gelungen, die Magne­tisierung eines Materials mit einer räum­lichen Auflösung von wenigen Nano­metern zu messen. In Zukunft könnte diese Techno­logie sowohl für das Abbilden magne­tischer Materia­lien als auch für die Entwicklung neuer Methoden der Informations­verarbeitung nützlich sein.

Abb.: Mit der neuen Methode lassen sich präzise Messungen durchführen. Das abgebildete Relief zeigt magnetische Nanostrukturen, deren Dicke nur ein Atom umfasst. (Bild: ETHZ)

Abb.: Mit der neuen Methode lassen sich präzise Messungen durchführen. Das abgebildete Relief zeigt magnetische Nanostrukturen, deren Dicke nur ein Atom umfasst. (Bild: ETHZ)

Das Besondere an der neuen Techno­logie ist, dass sie eigent­lich gar nicht funkt­ionieren dürfte. Um einzelne Atome aufzu­lösen, wird nämlich in einem Raster­tunnel­mikroskop eine Metall­spitze der Material­oberfläche bis auf atomare Abstände im Bereich eines Nano­meters genähert. Nach den Regeln der Quanten­mechanik können bei derart kurzen Ent­fernungen Elektronen aus der Metall­spitze in das Material tunneln und so einen Strom erzeugen, mit dem sich dann ein Abbild der Ober­fläche her­stellen lässt. Die ETH-Forscher erhöhten nun diesen Abstand auf mehrere Nano­meter und erlebten dabei gleich zwei Über­raschungen, wie Danilo Pescia erklärt: „Zum einen hatten wir trotz des höheren Abstands noch eine sehr gute räumliche Auflösung, und zum anderen konnten wir Elektronen aus der Tunnel­region extra­hieren – obwohl Rechnungen gezeigt hatten, dass dies praktisch nicht möglich sein sollte.“ Normaler­weise sind die Elektronen, die von der Metall­spitze aus in das Material tunneln, in diesem Zwischen­raum gefangen und sollten selbst bei größeren Abständen der Theorie zufolge die Tunnel­region nur äußerst selten verlassen.

Die extra­hierten Elektronen enthalten aller­dings wert­volle Infor­mationen. Insbe­sondere ihr Spin ist für die Forscher interessant, denn er gibt Aufschluss darüber, ob und in welche Richtung die Atome des zu unter­suchenden Materials magne­tisiert sind. Der Spin führt in der Praxis aber nur zu einem sehr kleinen Messsignal. Ihn nachzu­weisen ist daher eine große tech­nische Heraus­forderung, insbe­sondere unter den schwierigen Umständen eines Tunnel­experimentes. In ihrem Experiment legten die Wissen­schaftler eine geeig­nete elek­trische Spannung an die Metallspitze eines Raster­tunnel­mikroskops, wodurch Elektronen ohne eine bestimmte Spin­richtung austraten. Trafen diese auf magne­tische Atome – auf Atome also, die selbst einen Spin haben – so wurde deren Spinrichtung auf die aus der Tunnel­region extra­hierten Elektronen über­tragen. Schließ­lich wurde die Spin­richtung dieser Elektronen mit einem Spin-Detektor nach­gewiesen. Auf diese Weise gelang es, die Magne­tisierung im Material mit einer räum­lichen Auflösung von fünf Nano­metern zu messen.

Schon vor knapp dreißig Jahren wurde sowohl bei IBM Zürich als auch am National Institute of Standards and Techno­logy in den USA ein ähnliches Experiment versucht. Das Ziel, ein räumlich aufge­löstes Bild des magne­tischen Zustandes zu erhalten, wurde aber verfehlt. Die ETH-Forscher sind zufrieden, dass ihnen das jetzt trotz der nega­tiven Voraus­sagen gelungen ist. Nun arbeiten sie daran, den uner­warteten Erfolg auch theo­retisch zu verstehen und die Grenzen der neu ent­standenen Tech­nologie zu erweitern.

Für Urs Ramsperger und Danilo Pescia enthält diese Geschichte eine klare Lehre: „In der Forschung darf man sich nicht scheuen, auch mal das Unmög­liche zu probieren“, sagen sie und fügen hinzu: „Manchmal klappt es in der Praxis besser als in der Theorie – Papier ist eben nur Papier.“ Dieser Mut hat sich nun ausgezahlt und wird, so hoffen die Forscher, zu vielerlei Anwen­dungen führen. Man könnte zum Beispiel die magne­tischen Eigen­schaften von Materialien in Echtzeit mit einer Auflösung von Billionstel Sekunden unter­suchen. Da im jetzigen Experiment im End­resultat eine elek­trische Spannung in einen Spin umge­wandelt wurde, sollte auch die gezielte Mani­pulation der Magne­tisierung einzelner Atome möglich sein.

ETHZ / JOL

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