Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Winzige Magnete als Modellsystem

06.05.2013
Wissenschaftler untersuchen an Nano-Stäbchen, wie sich Materie ordnet

In der Welt der Atome und Moleküle ist alles in Bewegung: Sie vibrieren, Proteine falten sich, selbst Glas ist eine extrem langsam fliessende Flüssigkeit. Und hier bedeutet jede Bewegung eine Wechselwirkung der kleinsten Einheiten – beispielsweise der Atome – mit ihren Nachbarn.


Abbildung 1: Magnetische Nano-Stäbchen, als Kanten eines Sechsecks (unten) oder mehrerer Sechsecke (Mitte und oben) angeordnet, formen die Ringsysteme, die die Forschenden untersuchten. Mehrere verbundene Ringe dienen dabei als Modell für ein frustriertes System: Egal wie die Magnetisierung des mittleren Stäbchens ausgerichtet ist, ergeben sich immer energetisch nicht perfekte Bedingungen, d.h., unvermeidlich treffen zwei Nordpole oder zwei Südpole aufeinander – siehe gelbe Markierungen.


Abbildung 2: Ein System aus zwei Ringen zeigt wegen Frustration ständige Fluktuationen, also Ummagnetisierungen der einzelnen Nano-Stäbchen. Nebeneinander gezeigt sind jeweils Zustände, die über die Ummagnetisierung nur eines Stäbchens erreichbar sind. Die einzelnen Abbildungen zeigen experimentelle Messungen mit Röntgenmikroskopie; die eingezeichneten roten Pfeile geben die so ermittelten Magnetisierungsrichtungen jedes Stäbchens an.

Um diese Wechselwirkungen sichtbar zu machen, haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI ein besonderes Modellsystem entwickelt. Es ist so gross, dass es sich bequem unter einem Röntgenmikroskop beobachten lässt und imitiert doch die kleinsten Bewegungen in der Natur. Das Modell: Ringe aus jeweils sechs nanometergrossen magnetischen Stäbchen, deren Nord- und Südpole sich jeweils anziehen. Bei Raumtemperatur schwanken die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen kleinen Stäbchen ständig und auf natürliche Weise. Die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Stäbchen konnten die Wissenschaftler deshalb in Echtzeit beobachten. Am 5. Mai wurden die Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI in der Schweiz haben ein neuartiges magnetisches Nano-System entwickelt. Daran lassen sich zum ersten Mal in solchen künstlichen Systemen spontane Änderungen der Magnetisierungsrichtungen bei Raumtemperatur beobachten. Das System ist besonders für die Grundlagenforschung faszinierend, denn es kann als Modell für viele verschiedene Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene dienen. Alan Farhan untersuchte dieses Modellsystem im Rahmen seiner Doktorarbeit. Nun wurden die Ergebnisse im angesehenen Fachblatt „Nature Physics“ veröffentlicht.

Die perfekte Dicke: 3 Nanometer

Der Durchbruch gelang den Forschenden, als sie die exakt richtige Dicke ihrer Nano-Struktur fanden. Diese Struktur bestand aus einem oder mehreren Ringen aus jeweils sechs Nano-Stäbchen. Diese wiederum bestanden aus einer Legierung aus Eisen und Nickel, die sich leicht magnetisieren lässt. Nur wenn die Stäbchen exakt die richtige Dicke hatten, kam es bei Raumtemperatur bzw. leichter Erwärmung kontinuierlich zu spontanen Änderungen der Magnetisierungsrichtung der einzelnen Stäbchen. Diese sogenannte Fluktuation der Magnetisierung konnten die Forscher in Echtzeit mit dem Mikroskop filmen. Noch dünnere Stäbchen änderten ihre Magnetisierungsrichtung zu schnell für eine experimentelle Beobachtung, dickere wiederum behielten ihre ursprüngliche Magnetisierungsrichtung konstant bei. „Wir hatten Glück, diese perfekte Dicke bald zu finden“, erklärt Laura Heyderman, Leiterin der Forschungsgruppe Magnetische Nanostrukturen am PSI. „Auch andere Forschungsgruppen haben sich mit solchen magnetischen Nano-Strukturen beschäftigt, aber wir haben als erste die richtige Dicke gefunden.“

Die Nano-Stäbchen erstellten die Wissenschaftler, indem sie die magnetische Legierung in entsprechender Form auf ein flaches Trägermaterial aufdampften. Um die richtige Dicke nicht zu verpassen, erstellten sie unzählige dieser Strukturen nebeneinander und schoben während des Aufdampfens langsam von einer Seite eine Blende vor. So erhielten die Strukturen durchgängig unterschiedliche Dicken: von null Nanometer Höhe bis zu 20 Nanometer Höhe. „Unter dem Mikroskop sahen wir sofort den Bereich, in dem die Fluktuationen stattfanden“, so Heyderman.

In einem einzelnen Ring war die Magnetisierung der Stäbchen meist so ausgerichtet, dass immer der Südpol an den Nordpol des jeweiligen Nachbarn grenzte (siehe Abbildung 1, unten). Dies war der energetisch niedrigste und damit für das System günstigste Zustand.

Mehrere Ringe sind frustriert

Interessant waren für die Forschenden vor allem diejenigen Systeme, die aus zwei oder drei Ringen bestanden. Dabei teilten sich angrenzende Ringe jeweils ein Stäbchen: Zwei Ringe bestanden also aus elf Stäbchen und drei aus 15 Stäbchen (siehe Abbildung 1, Mitte und oben). Bereits bei zwei Ringen konnte das gemeinsame Stäbchen in der Mitte keine Magnetisierungsrichtung einnehmen, die nicht mindestens an zwei Stellen Nord- auf Nord- oder Süd- auf Südpol treffen liess (siehe gelbe Markierungen in Abbildung 1). Der energetisch niedrigste Zustand war also immer für einen Teil des Systems unbefriedigend – man spricht von geometrischer Frustration. Die Wissenschaftler fanden, dass zudem die Zahl energetisch gleich günstiger Konfigurationen – die sogenannte Entartung – mit der Systemgrösse wuchs. Gerade in diesem Fall kam es kontinuierlich zu Fluktuationen.
„Unser System ist wie gemütliche Wanderer in den Schweizer Alpen“, erklärt Heyderman. „Sie wandern gerne, vermeiden es aber, direkt über einen Berg zu gehen. Stattdessen suchen sie einen Weg um den Berg herum, über niedrig gelegene Pässe, und gelangen so immer wieder von einem Tal in das nächste. Genauso ist unser System: Es erkundet die Minima seiner potenziellen Energielandschaft.“ Für ein System aus mehreren Nano-Stäbchen lässt sich diese Landschaft allerdings nur theoretisch darstellen: Sie hat mehr als drei Dimensionen.

Simulation deckt verborgende Verbindungen auf und bestätigt Experimente

Die Form dieser höherdimensionalen Landschaft berechneten die Forschenden mit kinetischen Monte-Carlo-Simulationen. Deren Ergebnisse deckten sich gut mit den experimentellen Beobachtungen. Die theoretischen Berechnungen zeigten, dass es zwischen den Minima der Energielandschaft immer mehr kürzeste Verbindungen gab, je mehr Ringe beteiligt waren, d. h., je grösser das System war. Dies ist ein typisches Zeichen für die mit der Grösse des Systems wachsende Frustration. Das Ergebnis ist wichtig, um zukünftig auch grössere Systeme zu verstehen.

Für die Simulationen zuständig war Koautor Peter Derlet. „Am Ende hat das einfachste der verschiedenen theoretischen Modelle, die wir angesetzt haben, am besten die experimentellen Ergebnisse widergespiegelt“, so Derlets überraschende Feststellung.

Für die experimentelle Abbildung der Magnetisierung nutzten die Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut Methoden der Röntgenmikroskopie. Damit liessen sich mit etwa 1,4 Bildern pro Sekunde Videos der Nano-Strukturen aufzeichnen, die in leichtem Zeitraffer die Magnetisierungsänderungen sichtbar machten.

Anwendungsmöglichkeiten für theoretische Physik und praktische Datenspeicherung

„Obwohl unser Modellsystem vergleichsweise einfach ist, konnten wir damit die wärmebedingten Fluktuationen eines Systems im realen Raum untersuchen und so tiefer als bisher in die Welt der Thermodynamik eintauchen“, so Heyderman.
Mit ihrem neu entwickelten System wollen die Forschenden nun weitere Einblicke gewinnen in grundlegende Phänomene wie Phasenübergänge, geometrische Frustration und die Physik von glasartigen Materialien. Auch technologische Anwendungen in der Datenspeicherung werden nun denkbar, bei denen magnetische statt elektrische Ladungen übertragen würden.

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt/Ansprechpartner
Professor Laura Heyderman; Labor für Mikro- und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut; Telefon: +41 56 310 2613, E-Mail: laura.heyderman@psi.ch
Dr. Peter Derlet; Gruppe Festkörpertheorie, Paul Scherrer Institut;
Telefon: +41 56 310 3164, E-Mail: peter.derlet@psi.ch

Originalveröffentlichung
Exploring hyper-cubic energy landscapes in thermally active finite artificial spin ice systems.

Alan Farhan, Peter M. Derlet, Armin Kleibert, Ana Balan, Rajesh V. Chopdekar, Marcus Wyss, Luca Anghinolfi, Frithjof Nolting and Laura J. Heyderman, Nature Physics Advance Online Publication 5. Mai 2013. DOI: 10.1038/NPHYS2613, http://dx.doi.org/10.1038/nphys2613

Dagmar Baroke | PSI
Weitere Informationen:
http://psi.ch/iiiV
http://www.psi.ch/lmn/mesoscopic-systems

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte