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Mittwoch, 29.06.2016
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Atomare Datenspeicher rücken näher

Wie Leitungselektronen zwischen atomaren Bits vermitteln

Wie die Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichtet, haben Hamburger Wissenschaftler die Richtungsabhängigkeit der magnetischen Kopplung zwischen einzelnen Atomen auf Oberflächen erstmals direkt vermessen. Die experimentell ermittelte Magnetisierungsausrichtung von atomaren Bits verschiedenen Abstands und verschiedener Orientierung stimmt dabei erstaunlich gut mit der magnetischen Kopplung überein, die von Jülicher Forschern an einem Supercomputer mit einem aufwändigen Modell berechnet wurde.
Magnetisierungszustand einzelner Kobaltatome

Magnetisierungszustand einzelner Kobaltatome

Dies stellt einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung magnetischer atomarer Datenspeicher und neuartiger Spintronik-Bauelemente dar, so das Fazit der Wissenschaftler um Professor Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg in Nature Physics.

Atome „spielen“ Kompassnadel


Hervorgerufen durch die immer zunehmende Miniaturisierung elektronischer Geräte und die stetig wachsende Flut digitaler Daten suchen Forscher beständig nach Möglichkeiten, den Platz für die kleinste Speichereinheit, ein Bit, zu reduzieren, um Datenspeicher mit immer höherer Kapazität herstellen zu können. Bei der magnetischen Speichertechnologie gibt es das Ziel, irgendwann einmal die Information eines Bits in der magnetischen Ausrichtung eines einzelnen Atoms zu speichern.

Magnetische Atome verhalten sich wie winzige Kompassnadeln, deren Magnetisierung entweder nach oben (1) oder unten (0) zeigen kann. Aufgrund deren geringer räumlichen Ausdehnung ergäben sich dadurch immens hohe Speicherdichten, die für Jahrzehnte das Speicherplatzproblem lösen würden. Allerdings gibt es auf dem Weg dorthin vor allem zwei grundlegende Probleme: Erstens schalten die atomaren Bits bei Raumtemperatur in Bruchteilen einer Sekunde zwischen den zwei Zuständen (0) und (1). Dadurch geht aber die gespeicherte Information verloren. Zudem koppeln bei zu kleinen Abständen von wenigen Nanometern benachbarte Bits, was ebenfalls zu einem Datenverlust führen kann.


Mittels der Methoden der modernen Oberflächenphysik lassen sich atomare Bits auf eine extrem flache Oberfläche eines Metalls aufbringen, die als Modellsystem eines atomaren Datenspeichers dienen. Wie die Hamburger Wissenschaftler schon früher demonstriert haben, kann das atomare Bit mit der magnetisch beschichteten Spitze eines Rastertunnelmikroskops ausgelesen werden.

Leitungselektronen als Vermittler der RKKY-Wechselwirkung


Bereits vor einem halben Jahrhundert schlugen die Theoretiker Ruderman, Kittel, Kasuya und Yosida eine neue Art der Kopplung zwischen solchen magnetischen Atomen vor, die neben dipolarer Kopplung und direktem magnetischen Austausch als dritte fundamentale Wechselwirkung den Magnetismus im Festkörper bestimmt. Kommt ein Leitungselektron in die Nähe eines magnetischen Atoms, richtet es seinen Spin nach diesem aus.

Bewegt sich das Elektron nun weiter durch den Festkörper, kann die Spinpolarisation des Elektrons wiederum eine Ausrichtung des magnetischen Momentes eines der nächsten Atome bewirken. Dadurch wird eine magnetische Kopplung hervorgerufen, die je nach Abstand zu paralleler oder antiparalleler Ausrichtung benachbarter Bits führt.

Die nach den vier Entdeckern benannte RKKY-Kopplung ist vor allem in Festkörpern, die eine geringe Menge magnetischer Atome enthalten, aber auch in Seltenerdmetallen, die dominierende der drei Wechselwirkungen. Die Leitungselektronen als Vermittler der RKKY-Wechselwirkung bestimmen dabei die Stärke und Richtungsabhängigkeit der Kopplung.

Stärke und Ausrichtung der RKKY-Wechselwirkung

Stärke und Ausrichtung der RKKY-Wechselwirkung

Bisher wurden vereinfachende theoretische Modelle benutzt, mit denen die Kopplungsstärke erfolgreich in Volumenmaterialien vorausgesagt werden konnte. Nach diesen Modellen ist die Kopplung nur vom Abstand der zwei magnetischen Atome, nicht aber von ihrer Lage relativ zu den Kristallrichtungen abhängig. Obwohl eine Orientierungsabhängigkeit aufgrund der Kristallstruktur erwartet wurde, ist es experimentell bisher nicht gelungen, einen direkten Beweis dafür zu erbringen. Dies lag vor allem an der Unzulänglichkeit der bisher benutzten magnetischen Ausleseverfahren, die räumlich über einen großen Bereich und damit verschiedene Ausrichtungen mitteln.

Richtungsabhängigkeit der RKKY-Kopplung direkt vermessen


Wie jetzt Nature Physics berichtet, ist es Wissenschaftlern der Universität Hamburg und des Forschungszentrums Jülich gelungen, die Richtungsabhängigkeit der RKKY-Kopplung direkt zu vermessen und mit einem aufwändigen Modell zu vergleichen. Die in Hamburg experimentell ausgelesene Magnetisierungsausrichtung in Paaren von atomaren Bits verschiedenen Abstands und verschiedener Orientierung stimmt dabei erstaunlich gut mit der auf dem Supercomputer in Jülich gerechneten Kopplung überein.

Es zeigt sich nach Angaben der Forscher eine starke Abhängigkeit der RKKY-Kopplung von der Ausrichtung der zwei Bits, die man anhand der einfacheren Modelle nicht beschreiben kann.

Mehr als nur Grundlagenforschung


Diese Erkenntnisse haben auch einen großen praktischen Nutzen für die zukünftige Entwicklung von Nanostrukturen aus einer größeren Anzahl einzelner magnetischer Atome. Mittels der Spitze des Rastertunnelmikroskops lassen sich die magnetischen Atome in einer nahezu beliebigen Struktur zusammenschieben. Mithilfe der gewonnenen Karte der RKKY-Kopplung lässt sich daher eine Nanostruktur mit maßgeschneiderter magnetischer Kopplung entwerfen und verwirklichen, so die Forscher.

Solche Nanostrukturen könnten interessante Eigenschaften im Hinblick auf zukünftige spintronische Bauelemente haben. Eine andere vielversprechende Möglichkeit besteht in ihrer Anwendung als Modellsystem für neuartige Rechenverfahren, die die Quantennatur der Bits ausnutzen – zum Beispiel in Quantencomputern.
(idw - Sonderforschungsbereich 668, 04.02.2010 - DLO)