Spin einzelner Atome

Spezielles Rasterkraftmikroskop misst

Hamburg - Magnetisierbare Schichten bilden die Grundlage für Festplattenspeicher und einer Reihe von Sensoren. Um diese verbessern zu können und die Speicherdichten zu erhöhen, schrumpfen die magnetisierbaren Bereiche pro Dateneinheit stetig. Hamburger Physikern gelang nun mit einem neu entwickelten Verfahren, den Magnetspin einzelner Atome in einem antiferromagnetischen Isolator zu beobachten. Ihr Experiment beschreiben sie in der Zeitschrift "Nature".

Mit einer Variante eines Rasterkraftmikroskops tasteten die Forscher aus der Gruppe von Roland Wiesendanger am Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg die Oberfläche einer Nickeloxidprobe bei tiefen Temperaturen von etwa acht Kelvin ab. Bisher konnte mit dieser Sondentechnik die atomare Struktur einer Oberfläche genau vermessen werden. Mit einer atomfeinen Spitze aus Silizium, beschichtet mit einer 22 Nanometer dünnen Eisenlage, reagiert das Instrument nun auch empfindlich auf die Spinausrichtung der Nickelatome. Diese Methode heißt "magnetic exchange force microscopy (MexFM)".

"Die Wechselwirkung zwischen Mikroskopspitze und den Spins in der Probe ist am stärksten bei einer parallelen oder antiparallelen Ausrichtung der Spins", berichtet die dreiköpfige Arbeitsgruppe. Die Forscher richteten die Spins der ferromagnetisch beschichteten Spitze mit einer Feldstärke von fünf Tesla aus. Die Mikroskopspitze tastete dann die Probe in Abständen von etwa 0.3 - 0.5 Nanometern ab. Je nach Position der Atome und Ausrichtung der Magnetspins wirkten verschiedene Kräfte auf die Spitze, die über ein empfindliches Hebelsystem bestimmt werden konnten.

"Wir erwarten, dass dieser Ansatz für die Untersuchung von antiferromagnetischen Systemen genutzt werden kann", schreiben Uwe Kaiser und seine Kollegen vom Zentrum für Mikrostrukturforschung der Universität Hamburg. Das hätte große Auswirkungen auf die Entwicklung von zukünftigen magnetischen Datenspeichern und Sensorsystemen. Doch vor einer technischen Anwendung erlaubt diese Methode die genauere Erforschung des Magnetismus auf atomarer Ebene.

Heute speichert die weltweit erste, im Handel erhältliche Terabyte-Festplatte des Unternehmens Hitachi etwa 1000 Milliarden Bytes. Für jeden Datenpunkt müssen dabei Zehntausende von Atome auf einer Fläche von rund einem Tausendstel Quadratmikrometer magnetisch ausgerichtet werden. Diese Kapazität ließe sich theoretisch mit der Hamburger Sondentechnik um ein Vieltausendfaches erhöhen. So könnten zukünftige Festplatten mit Petabyte-Kapazitäten von diesen Forschungsergebnissen profitieren. Doch wann dieses Ziel mit einem erschwinglichen Lesegerät erreicht werden kann, kann heute noch nicht gesagt werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• "Magnetic exchange force microscopy with atomic resolution", Uwe Kaiser et al., Nature, Vol. 446, S. 522, doi:10.1038/nature05617
  

• Universität Hamburg:
  http://www.uni-hamburg.de
  

• Nanowissenschaften am Institut für Angewandte Physik:
  http://www.nanoscience.de/group_r/
  

• Zentrum für Mikrostrukturforschung:
  http://www.physnet.uni-hamburg.de/institute/IAP/angew.html

Weiterführende Literatur:

• Binnig, G., Quate, C. F. & Gerber, C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930–933 (1986).
  

• Hoffmann, R. et al. Atomic resolution imaging and frequency versus distance measurements on NiO(001) using low-temperature scanning force microscopy. Phys. Rev. B 67, 085402 (2003).
  

• Morita, S., Wiesendanger, R. & Meyer, E. (eds) Noncontact Atomic Force Microscopy (Springer, Berlin, 2002).
  

• Martin, Y. & Wickramasinghe, H. K. Magnetic imaging by ‘force microscopy’ with 1000A° resolution. Appl. Phys. Lett. 50, 1455-1457 (1987).