Fünf Atome für Nord- und Südpol

  • 04. January 2013

Zwischen atomarem LEGO-Spiel und Elektronentanz entsteht der kleinste stabile Nanomagnet.

Von metergroßen Exemplar in der Energietechnik, über zentimetergroße Magnetkompasse bis hin zur Informationstechnologie im Bereich einiger zehn Nanometer: Trotz ihrer unterschiedlichen Größe haben Magnete eine Gemeinsamkeit. Sie haben einen klar definierte Nord- und Südpol, was Grundlage für die sehr unterschiedlichen Anwendungen ist. Für die kleinsten vorstellbaren magnetischen Bausteine, einzelne Atome also, gilt das nicht mehr. Hier treten seltsame Quanteneffekte zu Tage, die Pole dieser Magnete werden instabil und bewegen sich zufällig. Ein solches Verhalten ist für Anwendungen wie Speicherung von Informationen sehr ungünstig.

Abb.: Der kleinste stabile Nanomagnet. (Bild: U. Bremen)

Abb.: Der kleinste stabile Nanomagnet. (Bild: U. Bremen)

Und wie groß muss ein Magnet überhaupt sein, um stabile Pole haben zu können? Dieser Frage sind Wissenschaftler der Universitäten Hamburg und Bremen sowie des Forschungszentrums Jülich nachgegangen und haben eine interessante Antwort gefunden. Sie nutzten eine magnetisch sensitive Form der Rastertunnelmikroskopie, um bei sehr tiefen Temperaturen Eisenatome auf einer Kupferoberfläche zu kleinen Clustern bestehend aus fünf Atomen zusammen zu setzen. Dieses „LEGO-Spiel“ auf atomarer Skala ist für die Grundlagenforschung wichtig, da es den Aufbau und die Überprüfung von Theorien nanomagnetischer Strukturen ermöglicht.

Durch theoretische Rechnungen von der Universität Bremen konnte nun gezeigt werden, dass sich die Eisen-Atome auf der Oberfläche in zwei möglichen Strukturen anordnen: Wie eine winzige Pyramide oder wie ein flacher atomar kleiner „Fleck". Auf atomarer Skala entscheidet die Anordnung jedes einzelnen Atoms darüber, wie sich ein solcher Cluster als Ganzes verhält. Für die hier gefundenen Cluster zeigen weitere Rechnungen, dass der Magnetismus der einzelnen Atome konstruktiv zusammenwirkt und die Cluster nach außen hin als eine Einheit - als ein Spin - auftreten. Dieser Spin ist für atomare Verhältnisse schon recht groß, aber immer noch tausendfach kleiner als das magnetische Moment eines Nanopartikels, wie man es in derzeitigen Computerfestplatten vorfindet.

Experimente konnten das Verhalten dieser Nanomagnete nun zeitlich abbilden und zeigen, dass sich stabile magnetische Pole ausbilden, die sich durch spin-polarisierte Ströme „umschalten“ lassen. Nahe des absoluten Temperaturnullpunkts reichen fünf Atome aus, um einen stabilen Magneten zu erhalten, der durch kleinste Ströme auch noch kontrolliert werden kann.

U. Bremen / PH

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