Stabile Magnete auf atomarer Skala

Im atomaren Maßstab ist das magnetische Verhalten von Atomclustern der Gegenstand aktueller Forschungen.

Forscher aus Hamburg, Bremen und Jülich haben den kleinsten stabilen Magneten aus nur fünf Atomen zusammengesetzt. Über das Verhalten von Magneten, die zu atomaren Dimensionen herunterskaliert sind, berichteten sie im Januar 2013 in der Zeitschrift „Science“ unter dem Titel „Current-driven spin dynamics of artificially constructed quantum magnets“.

Magnete in Technik und Forschung

Magnete werden auf ganz unterschiedlichen Größenskalen in der Technik eingesetzt. Das reicht von metergroßen Magneten in der Energietechnik über zentimetergroße Magnetkompasse bis hin zur Informationstechnologie mit Magneten in der Größenordnung einiger zehn Nanometer. Trotz ihrer sehr unterschiedlichen Größen haben diese Magnete etwas gemeinsam: einen klar definierten Nord- und Südpol. Und das ist Grundlage für die sehr unterschiedlichen Anwendungen.

Magnete im atomaren Maßstab

Doch für die kleinsten vorstellbaren magnetischen Bausteine, nämlich einzelne Atome, gilt das nicht mehr. Hier wirken Quanteneffekte und die Pole dieser Magnete werden instabil und verändern sich zufällig. Ein derartiges Verhalten ist für Anwendungen wie die Speicherung von Informationen natürlich nicht erwünscht.

Die Forscher der Universitäten Hamburg und Bremen sowie des Forschungszentrums Jülich stellten sich die Frage, was passiert mit Magneten aus wenigen Atomen? Und wie groß muss ein Magnet überhaupt sein, um stabile Pole haben zu können? Nun haben sie eine interessante Antwort gefunden.

Für diese Untersuchungen setzten die Forscher um Alexander Ako Khajetoorians an der Universität Hamburg ein selbst entwickeltes und weltweit einmaliges Supermikroskop ein. Das kann atomare Strukturen abbilden und gleichzeitig deren magnetische Eigenschaften bestimmen. Mit diesem magnetisch sensitiven Rastertunnelmikroskop setzten sie bei sehr tiefen Temperaturen Eisenatome auf einer Kupferoberfläche zu kleinen Clustern aus fünf Atomen zusammen. So können sie für die Grundlagenforschung formulierte Theorien nanomagnetischer Strukturen überprüfen.

Theoretische Berechnungen der Universität Bremen führten zu der Aussage, dass sich die Eisenatome auf der Oberfläche in zwei möglichen Strukturen anordnen. Entweder wie eine winzige Pyramide oder wie ein flacher atomar kleiner Fleck. Auf dieser atomaren Skala entscheidet die Anordnung jedes einzelnen Atoms darüber mit, wie sich ein solcher Cluster als Ganzes verhält. Für die hier auftretenden Cluster zeigen weitere Rechnungen aus Bremen sowie vom Forschungszentrum Jülich, dass der Magnetismus der einzelnen Atome zusammenwirkt und die Cluster nach außen hin als eine Einheit, als ein Spin, auftreten. In der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts reichen fünf Atome zur Bildung eines stabilen Magneten. Durch die Experimente an der Universität Hamburg konnte das Verhalten dieser Nanomagnete über die Zeit geprüft werden, Es zeigte sich, dass die fünf Eisenatome stabile magnetische Pole ausbilden, die sich durch spin-polarisierte Ströme umschalten lassen.

Für die theoretische Betrachtung sind derart kleine magnetische Systeme eine enorme Herausforderung. Denn die Elektronen in diesen Systemen können sich nicht unabhängig voneinander verhalten, sondern sind „stark korreliert“ und „tanzen“ miteinander. Die Entschlüsselung dieses simultanen Verhaltens ist ein wichtiger Forschungsgegenstand am Institut für Theoretische Physik der und am Bremen Center for Computational Materials Sciences der Universität Bremen. Die Arbeitsgruppe von Professor Tim Wehling an der Formulierung von Theorien zur Beschreibung solch stark korrelierter Elektronensysteme.

Der Nutzen der Forschungsergebnisse

Auch wenn die Experimente nur bei extrem tiefen Temperaturen ablaufen, so sehen die Forscher doch, das sie mit ihren Untersuchungen Grundlagen schaffen, um eines Tages die die Entwicklung stabiler magnetischer Nanostrukturen für neue und noch kleinere Bausteine in der Informationstechnologie möglich zu machen.

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