Urplötzlich magnetisch
Ordnet man Zinn-Atome auf einem Siliziumträger in einer besonderen Art und Weise an, wird das Material zum Magneten.
Physiker der Universität Würzburg haben aus zwei nicht-magnetischen Materialien ein magnetisches zusammengesetzt. Sie verwendeten eine kleine, dünne Scheibe aus Silizium und bauten an deren Oberfläche Zinn-Atome in einem regelmäßigen Muster ein. Obwohl beide Ausgangsmaterialien keinerlei magnetische Eigenschaften besitzen, tritt in dieser Kombination Magnetismus auf. Ein überraschender Effekt.
Abb.: Regelmäßig geordnete Muster von Elektronenspins sind dafür verantwortlich, dass nicht-magnetische Zinn-Atome auf einem Siliziumträger plötzlich magnetisch werden. (Bild: J. Schäfer, U. Würzburg)
„Durch die raffinierte Anordnung einzeln aufgebrachter Metallatome entstehen regelmäßig geordneter Muster der Elektronenspins“, erklärt Jörg Schäfer, Privatdozent am Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV der Universität Würzburg. Nach der Anbindung an die Siliziumunterlage besaß jedes Atom nur noch ein Valenzelektron mit einem Spin im äußersten Orbital. Durch die Valenzelektronen wurde es möglich, dass sich die Elektronenspins auf den verschiedenen Plätzen gegenseitig spüren und zueinander einstellen.
Allerdings gab es für die Physiker ein weiteres Rätsel zu lösen: Wie sie in ihren Untersuchungen feststellen konnten, ordneten sich die Metallatome auf dem Siliziumträger in absolut gleichmäßigen Abstände an und bildeten dabei ein „Dreiecksgitter“.
Das Problem: „In der Natur wird häufig eine Spinanordnung bevorzugt, bei der die Spins der Nachbarplätze in entgegengesetzte Richtungen zeigen“, sagt Jörg Schäfer. Doch wie soll das in einem Dreieck funktionieren, wonach soll sich dort der Spin des dritten Partners orientieren? Ein scheinbar unlösbares Problem, das deshalb auch als „Problem der Frustration“ bekannt ist. Die Lösung hat sich nach aufwändiger Untersuchung gezeigt: „Die Spins der Zinn-Atome haben sich auf dem Siliziumträger in einem ungewöhnlichen Muster mit reihenweise alternierender Ausrichtung angeordnet“, so Schäfer.
Diese Entdeckung magnetischer Ordnung illustriere ganz grundlegend die verblüffenden Möglichkeiten zur Steuerung elektronischer Wechselwirkungen auf atomarer Skala, erklärt Schäfer. Damit liefere die Arbeit einen Ansatz, wie auf der Basis gut etablierter Halbleitermaterialien wie Silizium eine spinbasierte Informationsverarbeitung entstehen könnte, bei der Daten magnetisch kodiert sind.
Das Experiment der Würzburger Forscher ist Teil der DFG-Forschergruppe FOR 1162 „Electron Correlation-Induced Phenomena in Surfaces and Interfaces with Tunable Interactions“. Dabei haben theoretische und Experimentalphysiker eng zusammengearbeitet: Am Lehrstuhl für Theoretische Physik I simulierten Forscher das Atomgitter und das „hopping“ der Elektronen am Computer. Die Experimente fanden am Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV statt.
Ihre Erkenntnisse über die Anordnung der Spins haben die Physiker mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie gewonnen. Dabei löst Röntgenstrahlung Elektronen aus der Oberfläche der Materialprobe heraus, so dass sie sich auf ihre Eigenschaften untersuchen lassen. „Aus der Energie- und Winkelverteilung erhält man die notwendige Information über die magnetische Ordnung“, sagt Schäfer. Parallel modellierten die Physiker in Vielteilchen-Rechnungen, in die direkt das Spinmuster mit einfloss, das Verhalten der Elektronen.
U. Würzburg / PH
