Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Schaltung für atomare Bits: Das magnetische Moment lässt sich mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops manipulieren

05.11.2009
Feiner geht es nicht: Valeri Stepanyuk vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und seine Kollegen können die Magnetisierung einzelner Atome manipulieren.

Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops schalten sie einzelne Atome von "Spin up" auf "Spin down" um - einfach indem sie den Abstand der Spitze zum Atom ändern. Das magnetische Moment des Spins wirkt wie ein winziger Stabmagnet. Je nachdem, in welche Richtung sein Nordpol weist, kann der Stabmagnet und somit das Atom die "0" oder "1" eines Bits speichern. Heutige Computer, deren Bits Zehntausende von Atomen groß sind, können so wesentlich weiterentwickelt werden. (Physical Review Letters 103, 057202 (2009))


Eine Frage des Abstands: Wenn sich die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) weiter entfernt von einem Atom befindet, richtet sich das magnetische Moment in dem Atom parallel zu demjenigen in der RTM-Spitze aus (links). Bei kürzerem Abstand orientiert es sich entgegengesetzt (rechts). MPI für Mikrostrukturphysik

Kleiner, schneller, mit geringerem Energieverbrauch: Wenn zur Informationsverarbeitung, zum Beispiel auf Computer-Festplatten, nicht die elektrische Ladung sondern der Drehimpuls ("Spin") der Elektronen genutzt wird, sind die Vorteile vielversprechend. Die Arbeit von Valeri Stepanyuk vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und seinen Kollegen aus Deutschland, Irland und Frankreich könnten jetzt dazu beitragen, die sogenannte Spintronik erheblich voranzubringen.

Die Wissenschaftler untersuchten ein System aus einzelnen magnetischen Metallatomen, die an einer Kupferoberfläche adsorbiert waren ("Adatome"), und denen sie sich mit der ebenfalls magnetischen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) näherten. Sie benutzten etablierte Rechenverfahren und führten sogenannte ab-initio-Berechnungen aus, also Simulationen, die an keine Messwerte angepasst wurden, sondern in denen sie lediglich Naturkonstanten verwendeten. Auf diese Weise haben sie gezeigt, dass sie durch einfaches Verändern des Abstandes zwischen den Adatomen und der RTM-Spitze einzelne Elektronenspins beeinflussen können.

Entscheidend ist dabei die sogenannte Austauschwechselwirkung. Sie ist ein rein quantenmechanischer Effekt, der beschreibt, wie sich die Spins von RTM-Spitze und Adatom gegenseitig beeinflussen. Wie stark die Austauschwechselwirkung ist und wie sie sich im Detail auswirkt, hängt dabei vom Abstand zwischen RTM-Spitze und Adatom ab. Kommen sich beide sehr nahe, so bewirkt die Austauschwechselwirkung, dass sich die Spins der Adatome entgegengesetzt zum magnetischen Moment der RTM-Spitze ausrichten - in etwa so wie sich zwei Stabmagnete auch nur mit ihren entgegengesetzten Polen, also Nord- und Südpol, nahe zueinander bringen lassen. Ist der Abstand zwischen RTM-Spitze und Adatom hingegen etwas größer, so ist die Austauschwechselwirkung verantwortlich dafür, dass die Adatome dem Herdentrieb folgen: Ihre Spins stellen sich dann parallel zum magnetischen Moment der RTM-Spitze ein.

Der genaue Abstand, bei dem die Austauschwechselwirkung zwischen dem Spin eines Adatoms und der RTM-Spitze von der entgegengesetzten in die parallele Orientierung umschlägt, hängt davon ab, welches Material für die RTM-Spitze und für die Adatome gewählt wird. Die Wissenschaftler haben für die vorliegenden Simulationen eine RTM-Spitze aus Chrom gewählt; bei den Adatomen handelte es sich wahlweise um Chrom, Mangan, Eisen und Kobalt. Die Berechnungen sind allerdings ohne Probleme an andere Materialsysteme anzupassen. Ebenso nahe liegend ist die experimentelle Realisierung, für die bereits eine Kooperation mit Experimentalphysikern geplant ist.

Originalveröffentlichung:

Kun Tao, V.S. Stepanyuk*, W. Hergert, I. Rungger, S. Sanvito, and P. Bruno
Switching a single spin on metal surfaces
Physical Review Letters 103, 057202 (2009)
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Valeri Stepanyuk
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle
Tel.: +49 345 5582-645
E-Mail: stepanyu@mpi-halle.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpi-halle.de
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie