Ein Thermometer für die Nanowelt

  • 01. November 2011

Spinströme gewähren Einblick in die Wärmeentstehung bei Nanomagneten.

Fließen Elektronen durch einen elektrischen Leiter, so erwärmt sich dieser. Nun ist es Forschern vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg gelungen, diese Entstehung von Wärme auf atomarer Skala zu untersuchen. Hierfür beobachteten die Wissenschaftler um Roland Wiesendanger das thermische Hin- und Herschalten eines aus lediglich 80 Eisenatomen bestehenden Nanomagneten und verwendeten ihn so als Thermometer.

Elektronen (blau) tunneln von der Nadelspitze eines Rastertunnelmikroskops (gelb) in den Nanomagneten. Aus der Frequenz des magnetischen Schaltens wird dann die Temperatur bestimmt. Bei niedrigem Strom besitzt der Nanomagnet die Temperatur seiner Umgebung (links). Wird der Strom erhöht, so heizen die Elektronen den Nanomagneten auf (rechts). (Bild: S. Krause, U. Hamburg)

Abb.: Elektronen (blau) tunneln von der Nadelspitze eines Rastertunnelmikroskops (gelb) in den Nanomagneten. Aus der Frequenz des magnetischen Schaltens wird dann die Temperatur bestimmt. Bei niedrigem Strom besitzt der Nanomagnet die Temperatur seiner Umgebung (links). Wird der Strom erhöht, so heizen die Elektronen den Nanomagneten auf (rechts). (Bild: S. Krause, U. Hamburg)


Dabei nutzten sie das Prinzip den quantenmechanischen Tunneleffekts: Positioniert man eine magnetische Nadelspitze sehr nah über dem Magneten und legt eine elektrische Spannung an, so fließt ein Tunnelstrom. Je näher sich dabei die Nadel über dem Magneten befindet, desto größer ist der fließende Strom. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Magneten. Mit einem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop im Ultrahochvakuum untersuchten die Forscher die Schaltfrequenz des Nanomagneten bei verschiedenen Stromstärken. Aus der Messung der Frequenz gelang es, direkt die entsprechende Temperatur des Magneten zu bestimmt. Dabei zeigte sich, dass bereits ein Strom von einem Mikroampere ausreichte, um den Magneten um ein Grad Celsius zu erwärmen, während seine unmittelbare Umgebung vom Strom unbeeinflusst blieb.

Außerdem fanden die Forscher heraus, dass der Tunnelstrom den Nanomagneten in eine Vorzugsrichtung zwingt: Er schaltet nicht mehr gleichmäßig zwischen zwei Orientierungen hin und her, sondern bevorzugt eine Orientierung, die der Magnetisierungsrichtung der Nadel entspricht. Die Experimente ergaben, dass dieses Spinstromschalten mit einem Rastertunnelmikroskop um Größenordnungen effektiver ist als mit Techniken, bei denen der zu schaltende Magnet in ein Schichtsystem eingebettet ist.

Das erlaubt es den Forschern, einen detaillierten Einblick in die elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Materie auf atomarer Skala zu werfen. Mögliche zukünftige Anwendungen dieser Technik sind beispielsweise kleinste thermisch schaltende Nanomagnete, die als Sensoren oder Manipulatoren in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden, um lokale Temperaturen zu messen.

SFB 668 / PH

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