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 Bessy II herausgefunden. Anders als erwartet richteten sich die Nord- und Südpole der Magnetinseln nicht in einem Zickzack-Muster, sondern in Ketten aus. „Das Verständnis der treibenden Wechselwirkungen ist von hohem technischen Interesse für zukünftige Festplatten, die aus kleinen Magnetinseln bestehen werden“, sagt Prof. Dr. Hartmut Zabel von der RUB. Gemeinsam mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin berichten die Bochumer Forscher in der Zeitschrift „Physical Review Letters“.
Kette statt Zickzack
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 Bessy II herausgefunden. Anders als erwartet richteten sich die Nord- und Südpole der Magnetinseln nicht in einem Zickzack-Muster, sondern in Ketten aus. „Das Verständnis der treibenden Wechselwirkungen ist von hohem technischen Interesse für zukünftige Festplatten, die aus kleinen Magnetinseln bestehen werden“, sagt Prof. Dr. Hartmut Zabel vom Lehrstuhl für Experimentalphysik / Festkörperphysik der RUB. Gemeinsam mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin berichten die Bochumer Forscher in der Zeitschrift „Physical Review Letters“.
Komplettes Chaos im Normalzustand
Viele Atome verhalten sich wie Kompassnadeln, also wie kleine magnetische Dipole mit einem Nord- und einem Südpol. Bringt man sie in einem Kristall nahe zusammen, sollten sich alle Dipole aneinander ausrichten, so dass das Material magnetisch wird. Das ist aber nicht der Fall. Ein magnetisches Material entsteht nur, wenn besondere quantenmechanische Kräfte am Werk sind. Normalerweise sind die Kräfte zwischen den atomaren Dipolen viel zu schwach, um sich gegenseitig zu beeinflussen. Außerdem sorgt die thermische Energie selbst bei tiefen Temperaturen für so viel Bewegung der Atome, dass komplette Unordnung entsteht. „Trotzdem blieb die grundsätzliche Frage, wie sich magnetische Dipole anordnen würden, wenn die Kraft zwischen ihnen groß genug wäre“, erklärt Prof. Zabel das Forschungsvorhaben.
Quadratisches Gitter aus magnetischen Inseln
Um das zu untersuchen, schnitten die Forscher 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 die Anordnung beobachten, die ausschließlich durch die Wechselwirkung zwischen den Dipolen zustande kommt. Sie nehmen das energetisch günstigste Muster ein, den sogenannten Grundzustand. Die Inseln dienen dabei als Modell für das Verhalten atomarer Dipole.
Magnetische Mikroskopie
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 polarisiertem Synchrotronlicht (Röntgenstrahlen) regt das Gerät spezifische Elektronen an. Diese geben 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.
Dipole richten sich in Ketten aus
Die magnetischen Dipole bildeten Ketten; der Nordpol der einen Insel zeigte also auf den Südpol der nächsten Insel. „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.
Magnetinseln in den Festplatten der Zukunft
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. Für die technische Anwendung ist ein präzises Verständnis der treibenden Wechselwirkungen zwischen magnetischen Inseln daher entscheidend.
(Physical Review Letters, 2013; doi: 10.1103/PhysRevLett.110.177209)
(Ruhr-Universität Bochum, 16.05.2013 – KSA)
