Verkettete Magnete für neue Festplatten
Inseln magnetischer Dipole bilden auf der Nanoskala Ketten statt Zick-Zack-Muster.
Wie sich winzige Inseln aus magnetischem Material anordnen, wenn man sie in ein regelmäßiges Gitter sortiert, haben Physiker der Ruhr-Universität Bochum (RUB) durch Messungen an der Berliner Synchrotronquelle Bessy II herausgefunden. Anders als erwartet richteten sich die Nord- und Südpole der Magnetinseln nicht in einem Zickzack-Muster, sondern in Ketten aus.
Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von einem regelmäßig angeordneten quadratischen Gitter aus magnetischen Inseln. (Bild: H. Zabel / Phys. Rev. Lett.)
Für ihre Untersuchung schnitten die Forscher um Hartmut Zabel vom Lehrstuhl für Experimentalphysik/Festkörperphysik der RUB aus einer dünnen magnetischen Schicht mit lithographischen Methoden kreisförmige Inseln von gerade einmal 150 Nanometern Durchmesser aus. Diese ordneten sie in einem regelmäßigen quadratischen Gitter an. Jede der Inseln enthielt etwa eine Million atomarer Dipole. Die Kräfte zwischen zwei Inseln waren also um den Faktor eine Million stärker als zwischen zwei einzelnen Atomen. Überlässt man diese Dipole sich selbst, kann man bei tiefen Temperaturen eine Anordnung beobachten, die ausschließlich durch die Wechselwirkung zwischen den Dipolen zustande kommt. Sie nehmen das energetisch günstigste Muster ein, den sogenannten Grundzustand.
Das Elektronensynchrotron BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin beherbergt ein spezielles Mikroskop, das Photonenemissions-Elektronenmikroskop, mit dem die RUB-Physiker die Ordnung der magnetischen Dipolinseln sichtbar machten. Mit zirkular polarisierter Röntgenstrahlung regte das Gerät spezifische Elektronen an. Diese gaben Auskunft über die Ausrichtung der Dipole in den Inseln. Die Experimente fanden bei tiefen Temperaturen statt, damit die thermische Bewegung die Ausrichtung der Dipole nicht stören konnte.
Abb.: Photonenemissions-Elektronenmikroskopische Aufnahme des magnetischen Zustands der Inseln bei 140 Kelvin. In blaugefärbten Inseln zeigen die magnetischen Dipole entlang des Gitters nach oben; in rotgefärbten Inseln nach unten. Weiße Inseln haben eine Dipolorientierung senkrecht zu den rot- und blaugefärbten Inseln. (Bild: H. Zabel / Phys. Rev. Lett.)
Wie sich heraustellte, bildeten die magnetischen Dipole Ketten aus; der Nordpol der einen Insel zeigte also auf den Südpol der nächstgelegenen. „Dieses Ergebnis war überraschend“, sagt Zabel. In dem Gitter hat jede Dipolinsel vier Nachbarn, an denen sie sich ausrichten könnte; vorab kann man nicht sagen, wohin der Nordpol letztendlich zeigen wird. „Tatsächlich würde man eine zickzackartige Anordnung erwarten“, so der Bochumer Physiker. Anhand des im Experiment beobachteten Kettenmusters zeigten die Forscher, dass Wechselwirkungen höherer Ordnung bestimmen, wie sich die Magnetisierung orientiert. Es spielen nicht nur dipolare, sondern auch quadrupolare und oktopolare Wechselwirkungen eine Rolle. Das bedeutet, dass eine magnetische Insel gleichzeitig Kräfte auf vier bzw. acht Nachbarn ausübt.
Festplatten werden in Zukunft aus winzigen magnetischen Inseln bestehen. Jede Magnetinsel bildet eine Speichereinheit, die die Bit-Zustände „0“ und „1“ repräsentieren kann – codiert durch die Ausrichtung des Dipols. Für einen funktionierenden Computer benötigt man eine Anordnung, in der die Dipolinseln möglichst wenig miteinander wechselwirken, also unabhängig voneinander die Zustände „0“ und „1“ einnehmen können. Ein präzises Verständnis der treibenden Wechselwirkungen zwischen magnetischen Inseln ist Für die technische Anwendung daher entscheidend.
RUB / PH
