Lego mit atomaren Magneten
Physiker der Universität Hamburg haben neuartige Magnete, die aus nur wenigen Atomen bestehen, aufgebaut und untersucht.
Ähnlich wie bei einem Systembaukasten, allerdings mit viel kleineren Bausteinen, können die Wissenschaftler einzelne Eisen-Atome zu unterschiedlichsten Strukturen zusammensetzen. Jeder dieser Bauklötze ist auch ein kleiner Kompass, der in zwei unterschiedliche Richtungen zeigen kann. Die so konstruierte magnetische Nanostruktur erforschen die Wissenschaftler, um ein besseres Verständnis der physikalischen Grundlagen des Magnetismus zu erhalten.
Abb.: Die auf einer Kupfer-Oberfläche liegenden Eisen-Atome (Kegel) lassen sich mit einem Rastertunnelmikroskop zu verschiedenen Ketten- und Kagomé-förmigen Magneten zusammenbauen. Gleichzeitig kann das Rastertunnelmikroskop die magnetische Ausrichtung der Eisenatome auslesen – gelb entspricht einer Ausrichtung nach oben, blau nach unten. (Bild: A. A. Khajetoorians, U. Hamburg)
Das von Alexander Khajetoorians, Jens Wiebe und Roland Wiesendanger dazu verwendete Werkzeug ist ein spin-polarisiertes Rastertunnelmikroskop. Dieses Gerät positioniert eine atomar scharfe Nadel mit sehr hoher Präzision über den Eisen-Atomen, die auf einer Kupfer-Oberfläche liegen. Fährt die Nadel in größerem Abstand über die Eisen-Atome, spürt sie gewissermaßen die Eisen-Atome. Führen die Wissenschaftler die Nadel dagegen sehr nahe an eines der Eisen-Atome heran und bewegen sie dann, folgt dieses Atom der Nadel, und lässt sich durch entsprechende Bewegung der Nadel auf der Kupfer-Oberfläche an einen beliebigen Ort verschieben.
Das Neuartige an dem von den Hamburgern verwendeten Rastertunnelmikroskop ist eine magnetische Funktionalisierung der Nadel. Damit können sie nicht nur die Position der Eisen-Atome, sondern auch noch die Ausrichtung ihrer Magnetisierung ermitteln. Wie die Wissenschaftler durch ihre Untersuchungen herausgefunden haben, hängt die Ausrichtung eines jeden der Eisen-Atome im Magneten dabei von der Anzahl seiner Nachbarn und ihrer jeweiligen Entfernung ab. Über dieses Verfahren lassen sich neuartige Magnete, wie etwa in Form von Ketten, oder in Form eines Kagomé-Gitters hergestellen.
In Kollaboration mit dem Forschungszentrums Jülich verglichen die Physiker die Eigenschaften der untersuchten Magnete mit aufwendigen Rechnungen auf dem dortigen Supercomputer. Dabei ergaben sich interessante Abweichungen von dem erwarteten Verhalten. Mit der weiteren Erforschung der Eigenschaften der neuartigen maßgeschneiderten Magneten erhofft sich die Wiesendanger daher in Zukunft ein besseres Verständnis der physikalischen Grundlagen des Magnetismus auf atomarer Skala.
Diese neuen Erkenntnisse könnten die Basis für die Entwicklung beispielsweise neuer Permanentmagnete oder magnetischer Sensoren liefern, welche ohne die knappen und teuren Metalle der Seltenen Erden auskommen.
SFB668 / OD
