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 Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische 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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics