Magnetische Nanostrukturen aus einzelnen Atomen gebaut

1. Mai 2012, 13:00
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Deutsche Physiker manipulieren mit sogenanntem spin-polarisierten Rastertunnelmikroskop Eisenatome

Physiker der Universität Hamburg haben neuartige Nanomagnete aus nur wenigen Eisen-Atomen zusammen gesetzt. Die so konstruierten winzigen Strukturen können von den Wissenschaftern erforscht werden, um ein besseres Verständnis der physikalischen Grundlagen des Magnetismus zu erhalten.

Das von Alexander Khajetoorians, Jens Wiebe und Roland Wiesendanger verwendete Werkzeug ist ein sogenanntes spin-polarisiertes Rastertunnelmikroskop. Mit diesem Gerät kann eine atomar scharfe Nadel mit sehr hoher Präzision über den Eisen-Atomen, die auf einer Kupfer-Oberfläche liegen, positioniert werden. Wird die Nadel in größerem Abstand über die Eisen-Atome gefahren, so werden die Eisen-Atome gewissermaßen von der Nadel "gespürt"; die Wissenschafter können damit die einzelnen Atome "wahrnehmen". Wird die Nadel dagegen sehr nahe an eines der Eisen-Atome herangeführt, und dann bewegt, folgt dieses Atom der Nadel, und kann durch entsprechende Bewegung der Nadel auf der Kupfer-Oberfläche an einen beliebigen Ort verschoben werden. Auf diese Art und Weise können beliebige Strukturen Atom für Atom aufgebaut werden.

Winzige Kompassnadeln

Das Neuartige an dem verwendeten Rastertunnelmikroskop ist eine magnetische Funktionalisierung der Nadel. Damit kann von den Forschern nicht nur die Position der Eisen-Atome, sondern auch noch die Ausrichtung ihrer Magnetisierung ermittelt werden. Die Eisen-Atome verhalten sich nämlich wie winzige Kompassnadeln, die entweder nach oben oder nach unten ausgerichtet sind. Wie die Physiker durch ihre Untersuchungen herausgefunden haben, hängt die Ausrichtung eines jeden der Eisen-Atome im Magneten dabei von der Anzahl seiner Nachbarn und ihrer jeweiligen Entfernung ab.

Über dieses Verfahren können neuartige Magnete, wie z. B. in Form von Ketten, oder in Form eines sogenannten Kagomé-Gitters hergestellt werden). In Kollaboration mit Wissenschaftern des Forschungszentrums Jülich wurden die Eigenschaften der untersuchten Magnete mit aufwendigen Rechnungen, die auf dem Supercomputer in Jülich durchgeführt wurden, verglichen.

Unerwartetes Verhalten

Dabei ergaben sich interessante Abweichungen von dem erwarteten Verhalten. Mit der weiteren Erforschung der Eigenschaften der neuartigen maßgeschneiderten Magneten erhoffen sich die Wissenschafter daher in Zukunft ein besseres Verständnis der physikalischen Grundlagen des Magnetismus auf atomarer Skala.

Diese neuen Erkenntnisse könnten die Basis für die Entwicklung beispielsweise neuer Permanentmagnete oder magnetischer Sensoren liefern, welche ohne die knappen und teuren Seltenerdmetalle auskommen. (red, derstandard.at, 30.04.2012)

  • Die Abbildung zeigt die auf einer Kupfer-Oberfläche liegenden Eisen-Atome als Kegel, die zu verschiedenen Ketten- und Kagomé-förmigen Magneten zusammengebaut wurden. Die gelbe Färbung der Eisen-Atome entspricht einer Ausrichtung nach oben, blaue Färbung einer Ausrichtung nach unten.
    foto: a. a. khajetoorians, universität hamburg

    Die Abbildung zeigt die auf einer Kupfer-Oberfläche liegenden Eisen-Atome als Kegel, die zu verschiedenen Ketten- und Kagomé-förmigen Magneten zusammengebaut wurden. Die gelbe Färbung der Eisen-Atome entspricht einer Ausrichtung nach oben, blaue Färbung einer Ausrichtung nach unten.

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