Spin-Eis aus Eisennickel-Nanoinseln

Graphen, Molybdänsulfid, Metaoberflächen – Zwei­dimensionale Materialien bieten viel­versprechende Eigenschaften für die Entwicklung von Display, Supraleitern oder logischen Schalt­kreisen. Nun fertigte eine amerikanische Forscher­gruppe ein zwei­dimensionales Spin-Eis aus magnetisier­baren Nano­inseln. Erstmals gelang es, die Ausrichtung der Magnet­spins und die Verteilung der magnetischen Ladungen reversibel bei Raum­temperatur zu kontrollieren. Dieser Ansatz birgt ein interessantes Potenzial für neuartige magnetische Daten­speicher oder auch als Hardware für zukünftige Quanten­computer.

„Unsere Arbeit zeigt erstmals ein künstliches Eis aus magnetischen Ladungen mit kontrollier­baren Energie­zuständen“, sagt Zhili Xiao vom Argonne National Laboratory. Die Bezeichnung Spin-Eis wurde gewählt, da sich in dem Material winzige Nano­magnete ähnlich wie die Sauerstoff­atome der Wasser­moleküle in Eis­kristallen zu einem Gitter anordnen. Für seine Experimente deponierte Xiao zusammen mit seinen Kollegen von der University of Illinois in Chicago winzige Nano­inseln aus einer Eisen­nickel-Legierung (Ni80Fe20) auf einer Silizium­oberfläche. Diese magnetischen Nano­inseln waren nur 25 Nanometer dick, 300 Nanometer lang und 80 Nanometer breit.

Die Ausrichtung der magnetischen Spins dieser Nanoinseln veränderten die Forscher mit der Spitze eines Magnetkraft­mikroskops. Dabei wurden die Nano­inseln unterschiedlich orientierten Magnet­feldern eines zwei­achsigen Vektor­magneten mit Feldstärken von bis zu 100 Milli­tesla ausgesetzt. Da die Magnetspins in drei Ausrichtungen vorlagen – vertikal, horizontal, diagonal – waren insgesamt acht verschiedene Konfigurationen möglich. In klassischen magnetischen Daten­speichern lassen sich dagegen nur jeweils zwei unterschiedliche Zustände, den digitalen Grundwerten 0 und 1 entsprechend, kontrollieren. Diese Vielfalt könnte zu einer höheren Dichte der gespeicherten Daten und zu einer komplexeren, aber effizienteren Rechenlogik führen.

Die Ausrichtung der magnetischen Nanoinseln mit dem Magnetkraft­mikroskop gelang bei Raum­temperatur viele Male hintereinander. Dabei konnten Xiao und Kollegen die Gitter­struktur der Magnetspins von den magnetischen Ladungen entkoppeln. Dadurch war es möglich, mit dem eingesetzten Vektor­magneten die magnetischen Ladungen zu den acht verschiedenen Konfigurationen quasi zu schalten. Um die genaue Kontrolle dieser Schalt­prozesse zu demonstrieren, manipulierten Xiao und Kollegen die magnetische Ausrichtung der Nano­inseln so, dass unter einem Mikroskop der Schriftzug „ICE“ sichtbar wurde.

Dank dieser Kontrollmöglichkeit ist das Material prinzipiell geeignet, um Daten wiederholt schreiben, auslesen und wieder löschen zu können. Bis zu einem magnetischen Daten­speicher mit einem zwei­dimensionales Spin-Eis ist der Weg aber noch sehr weit. Zum Schreiben, Lesen und Löschen der Daten müsste eine Methode entwickelt werden, die die Aufgabe des mit einem Vektor­magneten erweiterten Magnetkraft­mikroskops übernehmen könnte.

Doch die Anwendungsmöglichkeiten zweidimensionaler Spin-Eis-Schichten könnten noch weiter reichen. Bereits vor drei Jahren zeigten Peter Schiffer und Kollegen von der Pennsylvania State University, dass einzelne magnetische Ladungen, Quasi-Monopole, das gesamte Spin-Eis-System ähnlich beeinflussten wie elektrische Ladungen das Kristall­wachstum von Wassereis. Sollte eine Kontrolle einzelner magnetischer Ladungen in Zukunft gelingen, wäre nach Meinung von Xiao zwei­dimensionale Spin-Eis-Schichten aus magnetisierbaren Legierungen auch geeignete Kandidaten für den Bau von Quanten­computern.

Jan Oliver Löfken

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