Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erstmals magnetische Struktur auf atomarer Skala sichtbar

16.02.2001


Magnetismus ist uns aus dem Alltag wohl bekannt. Dennoch war es auf atomarer Ebene bis heute nicht möglich, einem Material anzusehen, ob es magnetisch ist oder nicht. Dies ist nun erstmals gelungen - ein großer Erfolg nicht nur für die Grundlagenforschung, denn magnetische Werkstoffe besitzen heute große wirtschaftliche Bedeutung, zum Beispiel als Speichermedium für die Computerindustrie.

Viele werden sich an das kleine Experiment aus der Schulzeit erinnern: Um Magnetismus sichtbar zu machen, legte der Physiklehrer ein Blatt Papier auf einen Stabmagneten. Dann schüttete er Eisenspäne auf das Papier, und die Eisenspäne ordneten sich wie von Geisterhand entlang von Linien an, die die Enden ("Pole") des Magneten miteinander verbanden. Die Eisenspäne zeichneten das ansonsten unsichtbare magnetische Feld nach. Was der Physiklehrer meist nicht verriet: Wenn die Physiker magnetische Materialien unter dem Mikroskop ansahen - und sei es unter einem modernen Rastertunnelmikroskop, das einzelne Atome sichtbar macht - dann konnten sie dem Atom seinen Magnetismus nicht ansehen. Es gab bisher nur indirekte Beweise für die Existenz von magnetischen Feldern.
"Das ist nun anders", sagt Dr. Stefan Blügel, theoretischer Physiker am Institut für Festkörperforschung im Forschungszentrum Jülich. "Theoretische Modelle, Simulationen mit Supercomputern und ein Spezialmikroskop Hamburger Kollegen haben kürzlich dazu geführt, dass wir magnetische Strukturen auf atomarer Skala erstmals sehen konnten." Dabei galt das Augenmerk der Forscher insbesondere den "antiferromagnetischen Materialien". Sie sind besonders interessant für die magnetische Datenspeicherung.


Am Anfang der Arbeit stand reine Theorie: "Wir haben zuerst ein theoretisches Modell dafür entwickelt, wie magnetische Muster auf atomarer Ebene aussehen könnten", erklärt Blügel. Für jedes Atom postulierten die Forscher eine magnetische Ausrichtung, das magnetische Moment. Atome mit einem magnetischen Moment kann man sich wie Kompassnadeln vorstellen, die - bei ferromagnetischen Materialien - alle in eine Richtung zeigen. Anders bei antiferromagnetischen Materialien: Bei anti-ferromagnetischen Dünnschichten gingen die Forscher in ihren Modellen davon aus, dass das magnetische Moment einer Reihe Atome dem magnetischen Moment der jeweils benachbarten Reihe entgegengesetzt ausgerichtet sei. "Wenn unsere Theorie richtig wäre, dann müsste man dieses magnetische Streifenmuster mit einem speziell eingerichteten Rastertunnelmikroskop beobachten können", sagtBlügel.
Ein Spezialmikroskop zur Untersuchung magnetischer Strukturen befindet sich an der Universität Hamburg. Durch die vorangegangenen Simulationen auf Jülicher Supercomputern konnten die Jülicher Wissenschaftler ihren Hamburger Kollegen genau sagen, wie ihr Gerät einzurichten sei, um das antiferromagnetische Streifenmuster sehen zu können. Tatsächlich beobachteten die Hamburger Kollegen daraufhin bei Antiferromagneten ein Streifenmuster. "Das Muster beweist, dass von Atomreihe zu Atomreihe jeweils entgegengesetzte Ausrichtungen des magnetischen Moments bestehen", sagt Blügel.
"Wir nehmen an, dass bei manchen Materialien das magnetische Moment von Atomen - dreidimensional betrachtet - sogar in jede beliebige Richtung zeigen kann", sagt Blügel. "Das wollen wir im nächsten Schritt beweisen." Eines Tages hoffen die Forscher, jedes einzelne Atom ansteuern, auslesen und seine magnetische Ausrichtung gezielt verändern zu können. Dann könnte jedes Atom genau ein Bit an Information speichern. Dies würde einen gigantischen Fortschritt bei der Speicherkapazität von Computerfestplatten bedeuten. Zum Vergleich: Auf heutigen Festplatten wird ein Bit durch einen magnetisierten Bereich auf der Festplatte dargestellt, der rund 100.000.000 Atome umfasst. Könnte jedes einzelne Atom ein Bit speichern, würde die Speicherkapazität der Festplatte hundertmillionenfach gesteigert.

Detektion magnetischer Muster: In der oberen Bildhälfte die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, an deren Ende sich ein einziges Atom mit einer bestimmten magnetischen Ausrichtung befindet. Während die Spitze in geringem Abstand über antiferromagnetische Schichten geführt wird, macht sie Streifen gleicher und entgegengesetzter magnetischer Ausrichtung sichtbar.


Abb.: Forschungszentrum Jülich


Weitere Informationen finden Sie im WWW:

Peter Schäfer | idw

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften