Physiker konstruieren die kleinsten Magnete der Welt Erster Magnet aus nur fünf Atomen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Erster Magnet aus nur fünf Atomen

Physiker konstruieren die kleinsten Magnete der Welt

Magnetische Cluster aus jeweils 5 Eisenatomen auf einer Kupfer-Unterlage. Die Spitze des Rastertunnel-Mikroskops liest ihre Magnetrichung aus und kann sie umpolen. © A. A. Khajetoorians, Universität Hamburg

Der kleinste Magnet der Welt besteht aus nur fünf nebeneinander liegenden Eisenatomen. Deutsche Forscher haben sie Schritt für Schritt auf einer Kupferfläche zusammengefügt. Trotz seiner extrem geringen Größe ist der Nanomagnet stabil, er hält seine Magnetisierungs-Richtung auch über längere Zeit, wie die Physiker im Fachmagazin „Science“ berichten. Er sei daher ein wichtiger Schritt hin zu superminiaturisierten magnetischen Datenspeichern.

Magnete sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und finden Anwendungen auf ganz unterschiedlichen Größenskalen: von metergroßen Magneten in der Energietechnik, über zentimetergroße Magnetkompasse bis hin zur Informationstechnologie mit Magneten im Bereich einiger zehn Nanometer. Trotz ihrer unterschiedlichen Größe haben diese Magnete eine Gemeinsamkeit. Sie haben einen klar definierten Nord- und Südpol, was Grundlage für die sehr unterschiedlichen Anwendungen ist. Aber: Für die kleinsten vorstellbaren magnetischen Bausteine, einzelne Atome also, gilt das nicht mehr. Hier treten seltsame Quanteneffekte zu Tage, die Pole dieser Magnete werden instabil und bewegen sich zufällig. Ein solches Verhalten ist für Anwendungen wie Speicherung von Informationen sehr ungünstig.

„Die Zukunft von nanoskalierten Speichertechnologien wird entscheidend davon abhängen, dass wir die atomare Magnete verstehen und kontrollieren können“, erklären Alexander Khajetoorians von der Universität Hamburg und seine Kollegen. Um solche Magneten als Speicher zu nutzen, müssen sie schaltbar sein, ihre Magnetrichtung muss auf Kommando wechseln, darf aber nicht spontan umspringen. Da Magnete im Atommaßstab eine Million Mal kleiner sind als ein menschliches Haar, war es bisher nur schwer möglich, sie zu erzeugen und ihre magnetische Stabilität zu ermitteln.

Mikroskop-Spitze manipuliert Atome

Dieses Problem haben Khajetoorians und seine Kollegen nun mit Hilfe eines speziellen Rastertunnel-Mikroskops (SP-RTM) umgangen. Dieses besteht aus einer magnetischen Nadel, die in einer nur ein Atom großen Spitze endet. Diese Spitze können die Forscher über einem Atom positionieren und gezielt dessen Magnetrichtung messen. Gleichzeitig kann die Spitze aber auch dazu genutzt werden, um einzelne Eisenatome zu bewegen und ihre Magneteigenschaften zu manipulieren.

Um ihren Nanomagneten herzustellen, schoben die Forscher mit Hilfe dieses Geräts fünf solcher Eisenatome auf einer Kupferfläche zusammen. Wie sich zeigte, blieb die Magnetrichtung der Atomgruppen dabei stabil – bis sie sie mittels Rasterspitze umpolten. Wenn man mehrerer solcher Nanomagneten kombinieren würde, könnte man so auf kleinsten Raum digitale Informationen speichern. Je nach Magnetrichtung wäre jeder Atomblock dann entweder eine „1“ oder eine „0“. Nach Ansicht der Forscher liefern ihre Ergebnisse daher wichtige Hinweise darauf, wie zukünftige Generationen hochdichter magnetischer Datenspeicher realisiert werden könnten. (Science 2013; doi: 10.1126/science.1228519)

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(Universität Hamburg / Science, 07.01.2013 – NPO)

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