Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Unerwartet aufgeräumte Honigwaben: RUB-Forscher manipulieren Magnetismus im Spin-Eis

02.08.2010
„Applied Physics Letters“ berichtet

Im „Spin-Eis“ lassen sich exotische Eigenschaften magnetischer Systeme untersuchen: Mit mikrometerkleinen magnetischen Inseln, die sie in Form von Honigwaben in einer Ebene anordneten, gelangen Physikern der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Hartmut Zabel überraschende Beobachtungen. Beim Anlegen eines Magnetfeldes sucht sich das System einen unerwartet geordneten Zustand aus und nimmt dabei in Kauf, dass die Pole der Magneten energetisch äußerst ungünstig zusammenliegen.

„Wenn man solche Systeme magnetischer Monopole besser versteht und steuern kann, kann man in diesen Zuständen wesentlich mehr Informationen speichern als mit herkömmlichen Speichertechniken, die nur zwei Zustände kennen“, erklärt Prof. Zabel die Bedeutung des Experiments. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe der „Applied Physics Letters“.

Die Unordnung im Eis

Spin-Eis-Materialien haben viel mit Wassereis gemeinsam, dessen Struktur äußerst komplex ist. Selbst bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt der Temperatur ist immer noch Unordnung im Wasser. Sie beruht darauf, dass in Eis ein Sauerstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben ist, die die Ecken eines Tetraeders markieren. Zwei Wasserstoffatome gehören zum ursprünglichen Wassermolekül H2O, die zwei weiteren zum benachbarten Wassermolekül. Die sog. Eisregel besagt, dass die ursprünglichen Wasserstoffatome nahe am Sauerstoffatom zu liegen kommen, die beiden anderen weiter entfernt: „Zwei rein, zwei raus“. In der Realität gibt es in dieser Ordnung allerdings immer Fehler.

Magnetisches Eis

Spin-Eis ist die magnetische Entsprechung von Eis. Dabei sitzen vier magnetische Dipole – Atome mit einem Nord- und einem Südpol – auf den Ecken eines Tetraeders in einem Kristallgitter. Wenn sie die Eisregel beachten – zwei Nordpole schauen raus, zwei rein – gleichen sich ihre magnetischen Kräfte aus, ein energetisch günstiger Zustand entsteht. Falls jedoch ein Dipol „herumgedreht“ wird, entsteht ein magnetischer Monopol. „Freie magnetische Monopole existieren in der Natur nicht. Aber Spin-Eis Materialien bieten uns die Möglichkeit, die exotischen Eigenschaften von magnetischen Monopolen zu untersuchen und Theorien über ihre Wechselwirkung zu überprüfen“, erklärt Prof. Zabel. Die Forscher stellen dazu künstliche Spin-Eis-Gitter durch lithographische Methoden her. Dabei ordnet man mikrometerkleine magnetische Inseln in der Ebene so an, dass je drei oder vier ihrer Enden sich in einem Punkt treffen. Bei vier Dipolen wird das sog. quadratische Spin-Eis realisiert, bei drei Dipolen das triangulare Spin-Eis, auch als „Honigwabenstruktur“ bezeichnet. Bei der Honigwabenstruktur gilt die Eis-Regel: Ein Nord- oder Südpol schaut rein, zwei raus – die energetisch günstigste Möglichkeit, wenn auch nicht vollständig magnetisch ausgeglichen.

Winzige magnetische Inseln in Honigwabenform

Die RUB-Forscher stellten in einer Eisenschicht mit Elektronenstrahl-Lithograpie magnetische Dipol-Inseln her und ordneten sie so an, dass sie eine Honigwabenstruktur bildeten. „Wir waren gespannt, wie sich die Dipole spontan unmittelbar nach der Herstellung ausrichten und wie sie mit magnetisch ungünstigen Zuständen umgehen“, erklärt Prof. Zabel. Dazu tasteten sie die Orientierung jedes Dipols mit einem magnetischen Kraftmikroskop ab, das feststellen kann, in welche Richtung der magnetische Nord- und Südpol zeigt. Wenn man dann noch zusätzlich ein magnetisches Feld anlegt, entsteht eine überraschende Ordnung im Chaos: In regelmäßiger Folge ordnen sich jeweils drei magnetische Dipole so an, dass ihr Nordpol in einen Knoten zeigt, am nächsten Knotenpunkt zeigen alle Nordpole aus dem Knotenpunkt heraus. Dabei ist jede einzelne Honigwabe in sich magnetisch ausgeglichen. „Zu unserer Überraschung tritt der energetisch ungünstigste Zustand, nämlich drei Nord- bzw. Südpole in einem Punkt, unerwartet häufig auf“, berichtet Prof. Zabel.

Neue Speichertechnik denkbar

„Was hier als Spielerei anmutet, kann weitreichende Konsequenzen für die Datenspeicherung und für magnetische logische Schaltungen haben“, sagt Prof. Zabel. Für jeden Knotenpunkt gibt es acht mögliche Dipol-Konstellationen – weit mehr als bei herkömmlicher Speichertechnik, die auf zwei Zuständen basiert. Die Dipol-Inseln, die im Experiment drei Mikrometer lang und 0,3 Mikrometer breit waren, kann man sich noch wesentlich kleiner vorstellen – bis zu winzigen 300 Nanometern Länge.

Förderung im Sonderforschungsbereich

Die Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 491 „Magnetische Heterostrukturen: Spinstrukturen und Spintransport“ entstanden.

Titelaufnahme

Alexandra Schumann, Björn Sothmann, Philipp Szary, and Hartmut Zabel: Charge ordering of magnetic dipoles in artificial honeycomb lattices, Applied Physics Letters 97, 022509 (2010). doi:10.1063/1.3463482

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dr. Hartmut Zabel, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität, 44780 Bcohum, Tel. 0234/32-23649, E-Mail: hartmut.zabel@rub.de

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Freie Elektronen in Sonnen-Protuberanzen untersucht
25.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Magnetische Quantenobjekte im "Nano-Eierkarton": PhysikerInnen bauen künstliche Fallen für Fluxonen
25.07.2017 | 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: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

IT-Experten entdecken Chancen für den Channel-Markt

25.07.2017 | Unternehmensmeldung

Erst hot dann Schrott! – Elektronik-Überhitzung effektiv vorbeugen

25.07.2017 | Seminare Workshops

Dichtes Gefäßnetz reguliert Bildung von Thrombozyten im Knochenmark

25.07.2017 | Biowissenschaften Chemie