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

Der kleinste stabile Nanomagnet Quelle: "Uni Bremen" (idw)

Forscher aus Hamburg, Bremen und Jülich setzen den kleinsten stabilen Magneten aus nur fünf Atomen zusammen. Darüber, wie sich Magnete verhalten, wenn sie zu atomaren Dimensionen herunterskaliert werden, berichten sie jetzt in der Fachzeitschrift „Science“ mit dem Beitrag „Current-driven spin dynamics of artificially constructed quantum magnets". Für die Universität Bremen ist das Institut für Theoretische Physik und das Bremen Center for Computational Materials Science an dem Forschungsprojekt beteiligt.

Magnete sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und finden Anwendungen auf ganz unterschiedlichen Größenskalen: von metergroßen Magneten in der Energietechnik, über zentimetergroße Magnetkompasse bis hin zur Informationstechnologie mit Magneten im Bereich einiger zehn Nanometer. Trotz ihrer unterschiedlichen Größe haben diese Magnete eine Gemeinsamkeit. Sie haben einen klar definierten Nord- und Südpol, was Grundlage für die sehr unterschiedlichen Anwendungen ist. Aber: 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.

Was passiert aber, wenn man versucht, Magnete aus einigen wenigen Atomen zusammenzusetzen? Und wie groß muss ein Magnet überhaupt sein, um stabile Pole haben zu können? Diesen Fragen sind Wissenschaftler der Universitäten Hamburg und Bremen sowie des Forschungszentrums Jülich nachgegangen und haben eine interessante Antwort gefunden.

Zusammenwirken von praktischen Versuchen und theoretischer Rechnung

Forscher der Universität Hamburg nutzten eine magnetische 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 extrem 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" (siehe Abbildung). 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 aus Bremen sowie vom Forschungszentrum Jülich, 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.

Die Experimente an der Universität Hamburg 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.

Für die theoretische Behandlung stellen nanomagnetische Systeme eine enorme Herausforderung dar, da sich die Elektronen in diesen Systemen nicht unabhängig voneinander verhalten, sondern „stark korreliert“ sind und miteinander „tanzen“. Die Entschlüsselung dieses „Tanzes“ ist zentraler Forschungsgegenstand am Institut für Theoretische Physik und am Bremen Center for Computational Materials Sciences der Universität Bremen. Die Arbeitsgruppe von Professor Tim Wehling arbeitet daran, Theorien zur Beschreibung solch stark korrelierter Elektronensysteme mit Vorhersagekraft zu etablieren. Wenn auch heute noch Zukunftsmusik (insbesondere wegen der sehr tiefen Temperaturen im Experiment) könnten derartige Theorien eines Tages die Grundlage für das Maßschneidern stabiler magnetischer Nanostrukturen für neuartige Bausteine in der Informationstechnologie sein.

Quelle: Universität Bremen (idw)