06.08.2021

Rechnen mit magnetischen Monopolen

Künstliches 3D Spin-Eis-Gitter enthält ungebundene magnetische Ladungen.

Dreidimensionale Nanonetzwerke versprechen zahlreiche Anwendungen in der Photonik, Biomedizin und Spintronik. Magnetische 3D-Nanoarchitekturen könnten ultraschnelle und energiesparende Datenspeicher ermöglichen. Aufgrund der konkurrierenden magnetischen Wechselwirkungen in diesen Systemen können magnetische Ladungen oder magnetische Monopole entstehen, die als mobile, binäre Informationsträger genutzt werden können. Forschende der Universität Wien haben nun das erste künstliche 3D Spin-Eis Gitter entworfen, das ungebundene magnetische Ladungen enthält. Die magnetischen Monopole sind in dem neuen Gitter bei Raumtemperatur stabil und können bei Bedarf durch externe Magnetfelder gesteuert werden. 

Abb.: In einem magne­tischen 3D-Nano­netzwerk sind magne­tische Monopole...
Abb.: In einem magne­tischen 3D-Nano­netzwerk sind magne­tische Monopole aufgrund der zunehmenden magne­tischen Frustration zwischen den Nano­elementen bei Raum­temperatur stabil. (Bild: S. Koraltan)

Magnetische Monopole in Spin-Eis lassen sich wegen der geringen Größe und der notwendigen tiefen Temperaturen nur schwer kontrollieren. Dies führte zur Entwicklung von künstlichem 2D Spin-Eis, bei dem die einzelnen atomaren Momente durch magnetische Nanoinseln ersetzt werden, die flach in einer Ebene auf verschiedenen Gittern angeordnet sind. Dieses Hochskalieren ermöglichte die Untersuchung von den entstehenden magnetischen Monopolen in leichter zugänglichen Systemen. Wenn man die magnetische Ausrichtung bestimmter Nanoinseln umkehrt, bewegen sich die Monopole um eine Stelle weiter und hinterlassen eine Spur. Diese Spur, die Dirac-Strings, speichern zwangsläufig Energie und binden die Monopole, was ihre Mobilität einschränkt. Forscher um Sabri Koraltan und Florian Slanovc konnten nun die Vorteile von atomarem und zweidimensionalem Spin-Eis vereinen.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe für Nanomagnetismus und Magnonik der Universität Wien und der Theoretischen Abteilung des Los Alamos Laboratorium, USA, werden die Vorteile des neuen Gitters mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen untersucht. Dabei werden die flachen 2D Nanoinseln durch magnetische Rotationsellipsoide ersetzt und ein höhersymmetrisches 3D Gitter verwendet. „Aufgrund der Entartung des Grundzustands verschwindet die Spannung der Dirac-Strings und die magnetischen Monopole sind ungebunden“, sagt Sabri Koraltan. Die Forscher gingen noch einen Schritt weiter, indem sie in ihren Simulationen einen magnetischen Monopol durch Anlegen externer Magnetfelder durch das Gitter bewegten und somit die Anwendung als Informationsträger in einem magnetischen 3D-Nanonetzwerk demonstrierten.

„Wir nutzen die dritte Dimension und die hohe Symmetrie des neuen Gitters, um die magnetischen Monopole voneinander zu trennen und sie in die gewünschten Richtungen zu bewegen, fast wie echte Elektronen“, sagt Sabri Koraltan.  „Die thermische Stabilität der Monopole bei Raumtemperatur und darüber hinaus könnte die Grundlage für eine bahnbrechende neue Generation von 3D-Speichertechnologien bilden“, ergänzt Florian Slanovc. 

U. Wien / JOL

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