Magnetismus in der Nanowelt

Bochumer Forscher entwickeln eine neue Analyse-Methode, um magnetische Eigenschaften von Materialien auf der Nanometerskala untersuchen zu können.

Mit einer neuen experimentellen Methode untersuchen Bochumer Physiker um Hartmut Zabel die magnetischen Eigenschaften der Nanowelt. Die Forscher bestrahlen Proben mit Laserlicht und zeichnen die Reflexion des Laserstrahls auf. Anhand der Auffächerung des reflektierten Strahls können sie mittels Fouriertransformation erstmals ganz genau berechnen, wie die Magnetisierung innerhalb einer magnetischen Nanoinsel verteilt ist. Magnetische Nanoinseln sollen künftig zur Datenspeicherung dienen, wobei die magnetische Orientierung einem Bit mit dem Wert 0 oder 1 entspricht. Durch die präzise Berechnung lassen sich nun außerdem auch die Eigenschaften magnetischer Wirbel charakterisieren, die in besonders kleinen Nanomagnetinseln vorkommen. Sie verfügen neben ihrer Drehrichtung auch über eine Polarität, sodass in jeder von ihnen sogar mehr als ein Bit zu speichern sein könnte.

Seit vielen Jahren tüftelt das Team von Hartmut Zabel an einer Möglichkeit, mithilfe von Laserstrahlen das magnetische Verhalten von kleinsten magnetischen Strukturen zu untersuchen. „Eine bekannte optische Methode zur Untersuchung magnetischer Schichten ist der so genannte Kerr-Effekt“, erklärt Zabel. „Dabei wird die Polarisationsebene von Licht durch Reflexion an einer magnetischen Schicht gedreht.“ Richtet man den Laserstrahl nun auf eine Probe mit tausenden gitterförmig angeordneten Nanomagnetinseln, wirkt sich jede dieser Inseln auf die Reflexion des Strahls aus: Der Strahl wird an der Probe aufgefächert in den Hauptstrahl und viele weitere Strahlen höherer Ordnung.

Abb.: Schema des experimentellen Aufbaus (links) und eine magnetische Hysterese zusammen mit der Magnetisierungsverteilung innerhalb einer Insel (rechts) (Quelle: RUB).

Ob diese Strahlen höherer Ordnung ebenfalls magnetische Informationen tragen und wenn ja welche, haben die Physiker nun untersucht. Zur Beschreibung des Effekts nutzten sie die Fouriertransformation. Mittels dieser Berechnungen lässt sich die Magnetisierungsverteilung innerhalb einer einzigen magnetischen Nanoinsel ganz genau darstellen. Auch Fragen nach dem Domänenzustand innerhalb dieser Inseln und wie diese sich im Magnetfeld verändern, können mithilfe der Fouriermethode beantwortet werden. Es lässt sich somit auch überprüfen, ob sich alle Inseln einer Probe exakt gleich verhalten – die Voraussetzung für die Nutzung als Speichermedium.

Bei sehr kleinen Magnetinseln stellt sich darüber hinaus ein magnetischer Wirbelzustand ein, der sich mit der neuen Methode nun erstmals genau charakterisieren lässt. Abgesehen von ihrer Drehrichtung verfügen diese Wirbel auch noch über eine Polarität, sodass in einer einzigen solchen Nanoinsel vier Bits abgespeichert werden könnten. „Interessant für uns ist zum Beispiel, wie der Wirbel sich in einem äußeren Magnetfeld verhält und ob man ihn in einem starken Magnetfeld vollständig zerstören kann“, so Hartmut Zabel. „Wird dieser Wirbel wieder neu und spontan neu entstehen, wenn das Magnetfeld abgeschwächt wird? Was sind also die Magnetfelder für die Vernichtung und die Erzeugung von magnetischen Wirbeln? In welcher Richtung dreht sich der Wirbel, links oder rechts herum?“ Die neuen magneto-optischen Methoden können diese Fragen beantworten.

Quelle: RUB

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. Westphalen, M.-S. Lee, A. Remhof und H. Zabel, Vector and Bragg MOKE for the analysis of nanostructured magnetic arrays, Review Scientific Instruments 78, 121301 (2007). (invited review)
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2821148
• Lehrstuhl für Experimentalphysik/Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum:
  http://www.ep4.rub.de
• Ruhr-Universität Bochum (RUB):
  http://www.ruhr-uni-bochum.de