Nanomagnete mit Elektronen manipulieren

  • 30. August 2012

Forscher blicken mit Feldemission auf kleinste Magnete und schalten sie.

Wird ein hohes elektrisches Feld an eine scharfe Magnetnadel angelegt, so lösen sich Elektronen heraus, die einen Stromfluss erzeugen. Forschern der Universität Hamburg gelang es nun erstmals, diesen physikalischen Effekt der Feldemission zum Abbilden und Manipulieren kleinster Magnete zu nutzen. Hierfür positionierten die Wissenschaftler um Roland Wiesendanger in ihrem „Spin-polarisierten Rasterfeldemissionsmikroskop“ bei -230 Grad Celsius eine Magnetnadel über einen Magneten, der nur aus 50 Eisenatomen besteht. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes lösen sich Elektronen aus der Nadelspitze, werden zum Magneten hin beschleunigt und dringen schließlich in diesen ein.

Abb.: a) Eisen-Nanomagnete (entsprechend ihrer Magnetisierung grün und rot eingefärbt) b) Zur Manipulation wird eine magnetische Nadelspitze über den Nanomagneten positioniert und dieser mit spin-polarisierten feld-emittierten Elektronen beschossen. Das nach der Manipulation aufgenommene Bild zeigt, dass der Nanomagnet seine Magnetisierung umgekehrt hat. (Bild: A. Schlenhoff, U. Hamburg)

Abb.: a) Eisen-Nanomagnete (entsprechend ihrer Magnetisierung grün und rot eingefärbt) b) Zur Manipulation wird eine magnetische Nadelspitze über den Nanomagneten positioniert und dieser mit spin-polarisierten feld-emittierten Elektronen beschossen. Das nach der Manipulation aufgenommene Bild zeigt, dass der Nanomagnet seine Magnetisierung umgekehrt hat. (Bild: A. Schlenhoff, U. Hamburg)

Die Hamburger Forscher konnten so nicht nur seine Magnetisierung auslesen, sondern auch gezielt hin- und herschalten. Der Abstand zwischen der Nadelspitze und dem Magneten beträgt dabei einige Nanometer, was typischen Schreib-Lesekopf-Abständen in heutigen Festplatten entspricht. Damit erfüllen die Hamburger Experimente die grundlegenden Voraussetzungen für eine Schreib-Lese-Technik, wie sie in einer neuartigen Speichertechnologie mit ultrahoher Datendichte zum Einsatz kommen könnte.

Der konventionelle Schreib-Lesekopf würde hierbei durch eine einfache magnetische Nadel ersetzt werden, und digitale Daten würden durch die beschriebene Feldemission ausgelesen und geschrieben. Hierdurch könnte eine gegenüber aktuellen Systemen zehntausendfach höhere Datenkapazität erzielt werden.

Die neuartige Schreib-Lese-Technik basiert dabei auf den mikroskopischen Wechselwirkungsprozessen zwischen dem Magneten und den aus der Nadel gelösten Elektronen: bei niedrigem Emissionsstrom wird der Zustand des Magneten über Leitfähigkeitsmessungen ausgelesen, und bei hohem Emissionsstrom zwingen die Elektronen mit ihrem Spin den Nanomagneten gezielt seine Magnetisierungsrichtung umzukehren. „Durch den lokalen Elektronenbeschuss heizt sich der Nanomagnet zudem beträchtlich auf, was seine Manipulation deutlich erleichtert“, erläutert Anika Schlenhoff. Obwohl die Feldemission seit langem routinemäßig in mikroskopischen Abbildungs- und Untersuchungsmethoden zum Einsatz kommt, erlauben erst die neuesten Experimente einen detaillierten Einblick in die Wechselwirkungsprozesse eines Feldemissionsstromes mit einem Magneten auf atomarer Skala.

U. Hamburg / PH

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