Ein Spin-Eis für jeden Geschmack

  • 20. November 2017

Neues Verfahren bringt magnetisches Meta­material in be­lie­bigen Mikro­zustand.

Ein magnetisches Schreibverfahren, mit dem sich Spin-Eis und andere magne­tische Meta­materi­alien in jeden gewünschten Mikro­zustand bringen lassen, hat ein Forscher­team aus Groß­britannien ent­wickelt. Damit konnten sie erst­mals den Grund­zu­stand eines Kagome-Gitters und Ketten von magne­tischen Mono­polen, sowie Zustände mit nega­tiver Tempe­ratur erzeugen.

Spin-Eis

Abb.: Ein Spin-Eis wird magnetisch beschrieben. Links: Das Bienen­waben­muster aus magne­tischen Drähten unter dem Raster­elek­tronen­mikro­skop. Mitte: Ein Draht wird um­magne­ti­siert (blauer Pfeil), wo­durch zwei (ein­ge­kreiste) magne­tische Mono­pole im Spin-Eis ent­stehen. Rechts: Mehrere Mono­pole leiter­förmig (links) oder ketten­förmig (rechts) an­ge­ordnet. (Bild: J. C. Gart­side et al. / NPG)

Die von Lesley Cohen und ihren Kollegen vom Imperial College London ver­wen­deten Meta­materi­alien bestanden aus streifen­förmigen magne­tischen Nano­drähten, die in einem Bienen­waben­muster auf einer Silizium­oxid­unter­lage ange­ord­net waren. Die Magne­ti­sierung eines solchen Nano­drahts, die in Längs­rich­tung des Drahts zeigte, wurde mit der magne­ti­sierten Spitze eines Raster­magnet­mikro­skops umge­dreht.

Dazu wurde die Spitze des Mikroskops, von der die Magnet­feld­linien radial aus­gingen und von oben in den Draht ein­traten, quer zum Draht in geringem Abstand über ihn hin­weg geführt. Direkt unter der Spitze rief das Magnet­feld einen Magnet­wirbel im Draht hervor, während am Rande des Draht­streifens die Magne­ti­sierung topo­lo­gische Defekte zeigte.

Nachdem die Spitze entfernt wurde, wies die Magnetisierung des Drahts zwei quer zum Draht orien­tierte Domänen­wände auf, die sich schnell von­ein­ander ent­fernten und zu den Draht­enden liefen. Sobald sie diese erreicht hatten, war die Ummagne­ti­sierung des Drahts abge­schlossen. Dieses Ver­fahren nennen die Forscher „topo­lo­gical defect-driven magnetic writing“, also etwa „durch topo­lo­gische Defekte getrie­benes magne­tisches Schreiben“.

Was ihr Schreibverfahren kann, demonstrierten die Forscher an einem Spin-Eis, das auf dem Bienen­waben­gitter reali­siert war. An jedem Gitter­punkt kamen jeweils drei Drähte zusammen. Dabei zeigten höchsten zwei Drähte mit ihrer Magne­ti­sierung oder ihrem Spin zum Gitter­punkt hin oder von ihm weg. Diese „Eis-Regel“ hält die Energie der jeweiligen Spin­konfi­gu­ration mög­lichst gering, dennoch gibt es eine riesige Zahl solcher Mikro­zustände.

Zunächst kehrten die Wissenschaftler die Magnetisierung eines einzelnen Drahts in einem Spin-Eis um, das durch ein äußeres Magnet­feld parallel zur Unter­lage voll­ständig magne­ti­siert war. Dadurch wurde an zwei benach­barten Gitter­punkten die Eis-Regel gebrochen und es ent­standen zwei magne­tische Mono­pole. Indem die Forscher diesen Schritt für andere Drähte wieder­holten, erzeugten sie zahl­reiche Mono­pole, die wie Ketten oder wie die Sprossen von Leitern ange­ordnet waren.

Schließlich stellten sie einen noch wesentlich komplexeren Zustand her, bei dem das Spin-Eis ins­ge­samt keine Magne­ti­sierung auf­wies. Dabei gingen sie von dem voll­ständig magne­ti­sierten Spin-Eis aus und magne­ti­sierten die Hälfte der Drähte um, wobei die Eis-Regel erfüllt bleiben musste. So konnten sie zum ersten Mal experi­men­tell den unmagne­tischen Grund­zu­stand des Kagome-Gitters reali­sieren.

Von diesem Grundzustand ausgehend, konnten sie durch die schritt­weise Ummagne­ti­sierung der Nano­drähte ange­regte Zustände erzeugen, die ein oder mehrere Mono­pol­paare ent­hielten. Mit zuneh­men­der Anre­gungs­energie und Mono­pol­anzahl nahm zunächst die Zahl der mög­lichen Spin­konfi­gura­tionen oder Mikro­zu­stände rasant zu. Doch sobald sich etwa auf einem Viertel der Gitter­punkte magne­tische Mono­pole befanden, nahm die Zahl der mög­lichen Mikro­zustände wieder ab. Saßen schließ­lich auf allen Gitter­punkten Mono­pole, so gab es nur noch zwei dieser höchst­ange­regten Zustände. Sobald aber die Zahl der mög­lichen Mikro­zu­stände mit wach­sender Energie abnahm, ver­ringerte sich auch die Entropie des Systems. Folg­lich wurde die Tempe­ratur, die ein Maß für die Ände­rung der Energie mit der Entropie ist, negativ. Auf diese Weise konnten Lesley Cohen und ihre Mit­arbeiter das magne­tische Meta­material in Zustände mit nega­tiver Tempe­ratur bringen.

Diese nahezu perfekte Kontrolle des Mikrozustands eines Spin-Eises oder eines Meta­materials im All­ge­meinen eröffnet viele Möglich­keiten. Die riesige Zahl der Mikro­zu­stände macht das System inte­res­sant für thermo­dyna­mische Unter­suchungen, für die magne­tische Speiche­rung und Ver­arbei­tung von Daten sowie für neuro­nale Netze. Dabei könnte die gezielte Ummagne­ti­sierung der Nano­magnete statt mit einer Mikro­skop­spitze auch viel schneller durch Ströme in Nano­drähten erfolgen.

Rainer Scharf

RK

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer