Erstmals magnetische Struktur auf atomarer Skala sichtbar
Magnetismus ist uns aus dem Alltag wohl bekannt. Dennoch war es auf atomarer Ebene bis heute nicht möglich, einem Material anzusehen, ob es magnetisch ist oder nicht. Dies ist nun erstmals gelungen - ein großer Erfolg nicht nur für die Grundlagenforschung, denn magnetische Werkstoffe besitzen heute große wirtschaftliche Bedeutung, zum Beispiel als Speichermedium für die Computerindustrie.
Viele werden sich an das kleine Experiment aus der Schulzeit erinnern: Um Magnetismus sichtbar zu machen, legte der Physiklehrer ein Blatt Papier auf einen Stabmagneten. Dann schüttete er Eisenspäne auf das Papier, und die Eisenspäne ordneten sich wie von Geisterhand entlang von Linien an, die die Enden ("Pole") des Magneten miteinander verbanden. Die Eisenspäne zeichneten das ansonsten unsichtbare magnetische Feld nach. Was der Physiklehrer meist nicht verriet: Wenn die Physiker magnetische Materialien unter dem Mikroskop ansahen - und sei es unter einem modernen Rastertunnelmikroskop, das einzelne Atome sichtbar macht - dann konnten sie dem Atom seinen Magnetismus nicht ansehen. Es gab bisher nur indirekte Beweise für die Existenz von magnetischen Feldern.
"Das ist nun anders", sagt Dr. Stefan Blügel, theoretischer Physiker am Institut für Festkörperforschung im Forschungszentrum Jülich. "Theoretische Modelle, Simulationen mit Supercomputern und ein Spezialmikroskop Hamburger Kollegen haben kürzlich dazu geführt, dass wir magnetische Strukturen auf atomarer Skala erstmals sehen konnten." Dabei galt das Augenmerk der Forscher insbesondere den "antiferromagnetischen Materialien". Sie sind besonders interessant für die magnetische Datenspeicherung.
Am Anfang der Arbeit stand reine Theorie: "Wir haben zuerst ein theoretisches Modell dafür entwickelt, wie magnetische Muster auf atomarer Ebene aussehen könnten", erklärt Blügel. Für jedes Atom postulierten die Forscher eine magnetische Ausrichtung, das magnetische Moment. Atome mit einem magnetischen Moment kann man sich wie Kompassnadeln vorstellen, die - bei ferromagnetischen Materialien - alle in eine Richtung zeigen. Anders bei antiferromagnetischen Materialien: Bei anti-ferromagnetischen Dünnschichten gingen die Forscher in ihren Modellen davon aus, dass das magnetische Moment einer Reihe Atome dem magnetischen Moment der jeweils benachbarten Reihe entgegengesetzt ausgerichtet sei. "Wenn unsere Theorie richtig wäre, dann müsste man dieses magnetische Streifenmuster mit einem speziell eingerichteten Rastertunnelmikroskop beobachten können", sagt Blügel.
Ein Spezialmikroskop zur Untersuchung magnetischer Strukturen befindet sich an der Universität Hamburg. Durch die vorangegangenen Simulationen auf Jülicher Supercomputern konnten die Jülicher Wissenschaftler ihren Hamburger Kollegen genau sagen, wie ihr Gerät einzurichten sei, um das antiferromagnetische Streifenmuster sehen zu können. Tatsächlich beobachteten die Hamburger Kollegen daraufhin bei Antiferromagneten ein Streifenmuster. "Das Muster beweist, dass von Atomreihe zu Atomreihe jeweils entgegengesetzte Ausrichtungen des magnetischen Moments bestehen", sagt Blügel.
"Wir nehmen an, dass bei manchen Materialien das magnetische Moment von Atomen - dreidimensional betrachtet - sogar in jede beliebige Richtung zeigen kann", sagt Blügel. "Das wollen wir im nächsten Schritt beweisen." Eines Tages hoffen die Forscher, jedes einzelne Atom ansteuern, auslesen und seine magnetische Ausrichtung gezielt verändern zu können. Dann könnte jedes Atom genau ein Bit an Information speichern. Dies würde einen gigantischen Fortschritt bei der Speicherkapazität von Computerfestplatten bedeuten. Zum Vergleich: Auf heutigen Festplatten wird ein Bit durch einen magnetisierten Bereich auf der Festplatte dargestellt, der rund 100.000.000 Atome umfasst. Könnte jedes einzelne Atom ein Bit speichern, würde die Speicherkapazität der Festplatte hundertmillionenfach gesteigert.
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Detektion magnetischer Muster: In der oberen Bildhälfte die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, an deren Ende sich ein einziges Atom mit einer bestimmten magnetischen Ausrichtung befindet. Während die Spitze in geringem Abstand über antiferromagnetische Schichten geführt wird, macht sie Streifen gleicher und entgegengesetzter magnetischer Ausrichtung sichtbar.
Abb.: Forschungszentrum Jülich
