Blick in die magnetische Zukunft

Gefriert Wasser zu Eis, ordnen sich die Wassermolek¨¹le mit ihren Wasserstoff- und Sauerstoffatomen in einer komplexen Struktur an. Wasser und Eis sind unterschiedliche Phasen desselben Materials, und die Umwandlung von Wasser zu Eis wird als Phasen¨¹bergang bezeichnet. Im Labor lassen sich nun Kristalle herstellen, bei denen die elementaren magnetischen Momente, die sogenannten Spins, mit Eis vergleichbare Strukturen bilden. Deshalb bezeichnen Forschende diese Strukturen auch als Spin-Eis.

?Wir haben k¨¹nstliches Spin-Eis hergestellt, das im Wesentlichen aus Nanomagneten besteht. Diese sind so klein, dass sich ihre Ausrichtung einzig aufgrund der Temperatur ?ndern kann?, erkl?rt der Hauptautor Kevin Hofhuis, der soeben seine Doktorarbeit abgeschlossen hat.

Im verwendeten Material sind die Nanomagnete in sechseckigen Strukturen angeordnet ¨C ein Muster, das man aus der japanischen Korbflechtkunst unter dem Namen Kagome kennt.

?Bei k¨¹nstlichem Kagome-Spin-Eis wurden magnetische Phasen¨¹berg?nge theoretisch vorhergesagt, aber bisher nie beobachtet?, sagt Laura Heyderman, Professorin f¨¹r Mesoskopische Systeme der ETH Z¨¹rich und Leiterin des Labors f¨¹r Multiskalen-Materialien-Experimente am PSI. Der Nachweis von Phasen¨¹berg?ngen gelang nun dank modernster Lithografie-Verfahren zur Herstellung des Materials sowie einer speziellen Mikroskopie-Methode an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Die Resultate dieser Experimente sind soeben in der Zeitschrift Nature Physics erschienen.

Der Trick: winzige Magnetbr¨¹cken

F¨¹r ihre Proben verwendeten die Forschenden eine Nickel-Eisen-Verbindung, die als d¨¹nner Film auf ein Siliziumsubstrat aufgetragen wurde. Auf dieser Oberfl?che wurde mit einem Lithografie-Verfahren wiederholt das kleine, hexagonale Muster der Nanomagnete geformt, wobei ein Nanomagnet etwa einen halben Mikrometer (millionstel Meter) lang und ein Sechstel Mikrometer breit war.

Doch damit nicht genug. ?Der Trick war, dass wir die Nanomagnete mit winzigen magnetischen Br¨¹cken verbanden?, sagt Hofhuis. ?Dadurch kam es zu kleinen Ver?nderungen des Systems, die es uns erst erm?glichten, den Phasen¨¹bergang so abzustimmen, dass wir ihn beobachten konnten. Allerdings mussten diese Br¨¹cken sehr klein sein, denn wir wollten das System nicht allzu sehr ver?ndern.?

Dass dieses Unterfangen gelang, erstaunt den Physiker noch immer. Denn mit der Schaffung der Nanobr¨¹cken stiess er an die Grenzen der technisch m?glichen, r?umlichen Aufl?sung der heutigen Lithografie-Methoden. Einige der Br¨¹cken sind nur zehn Nanometer gross.

Mikroskopie und Theorie

An der SLS verwendete das Team eine spezielle Mikroskopie-Methode, die es erm?glicht, den magnetischen Zustand jedes einzelnen Nanomagneten in der Anordnung zu beobachten, die sogenannte Photoemissions-Elektronenmikroskopie.

?Wir konnten ein Video aufnehmen, das zeigt, wie die Nanomagnete miteinander wechselwirken und dies allein als Funktion der Temperatur?, sagt Hofhuis. Bei den urspr¨¹nglichen Bildern handelte es sich um einfache Schwarz-Weiss-Kontraste, die ab und zu wechselten. Daraus konnten die Forschenden die Konfiguration der Spins, also die Ausrichtung der magnetischen Momente, ableiten.

?Sieht man sich ein solches Video an, weiss man aber noch nicht, in welcher Phase man sich befindet?, erkl?rt Hofhuis. Dazu brauchte es theoretische ?berlegungen, die Peter Derlet, PSI-Physiker und Titularprofessor an der ETH Z¨¹rich, beisteuerte. Seine Simulationen zeigten, was theoretisch bei den Phasen¨¹berg?ngen geschehen sollte. Erst der Vergleich der aufgenommenen Bilder mit diesen Simulationen bewies, dass es sich bei den mikroskopisch beobachteten Vorg?ngen tats?chlich um Phasen¨¹berg?nge handelt.

Phasen¨¹berg?nge manipulieren

Die neue Studie ist ein weiterer Erfolg in der Erforschung von k¨¹nstlichem Spin-Eis, welches die Gruppe von Laura Heyderman seit mehr als einem Jahrzehnt untersucht. ?Das Grossartige an diesen Materialien ist, dass wir sie massschneidern k?nnen und direkt sehen, was in ihnen passiert?, sagt die Physikerin. ?Wir k?nnen alle m?glichen faszinierenden Verhaltensweisen beobachten, darunter die Phasen¨¹berg?nge und Ordnungen, die vom Layout der Nanomagnete abh?ngen. Dies ist bei Spin-Systemen in herk?mmlichen Kristallen nicht m?glich.?

Obwohl diese Untersuchungen zurzeit noch reine Grundlagenforschung sind, denken die Forschenden bereits an m?gliche Anwendungen.

Die Kontrolle von verschiedenen magnetischen Phasen k?nnte f¨¹r neuartige Arten der Datenverarbeitung interessant sein. Am PSI und anderswo wird untersucht, wie die Komplexit?t von k¨¹nstlichem Spin-Eis f¨¹r neuartige Hochgeschwindigkeitsrechner mit geringem Stromverbrauch genutzt werden k?nnte. ?Dabei orientiert man sich an der Informationsverarbeitung im Gehirn und macht sich zunutze, wie das k¨¹nstliche Spin-Eis auf einen Reiz wie ein Magnetfeld oder elektrischen Strom reagiert?, erkl?rt Heyderman.

Dieser Text von Barbara Vonarburg erschien zuerst in den PSI News.