An den Grenzen des Magnetismus

Ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der ETH Z¨¹rich, der EPFL und von IBM haben im Labor extrem kleine, starke und stabile Magnete geschaffen. Diese bestehen aus einem einzelnen Kobaltatom, das auf einer hauchd¨¹nnen Magnesiumoxid-Oberfl?che sitzt. ?Es ging uns darum, in einem Modellsystem aufzuzeigen, welches die Grenzen der Miniaturisierung von Magneten sind?, erkl?rt Pietro Gambardella, Professor f¨¹r Magnetismus und Grenzfl?chenphysik an der ETH Z¨¹rich. Er ist einer der Leiter einer Studie, welche soeben in der Fachzeitschrift ?Science? ver?ffentlicht wurde.

Die Wissenschaftler stellten die Ein-Atom-Magnete her, indem sie eine winzige Menge Kobalt auf eine Magnesiumoxid-Oberfl?che aufdampften, sodass sich vereinzelte Kobaltatome an die Oberfl?che hefteten. Um die physikalischen Eigenschaften der Magnete zu beschreiben, untersuchten die Forschenden sie mit einem Rastertunnelmikroskop und dem Synchrotron am Paul Scherrer Institut. Diese Messungen ergaben, dass das System mit den vereinzelten Kobaltatomen auf Magnesiumoxid pro Atom betrachtet ein dreimal st?rkerer Magnet ist als einer aus reinem Kobaltmetall.

Modellsystem f¨¹r Informationsspeicher

Zudem sind die Ein-Atom-Magnete extrem stabil gegen¨¹ber Einfl¨¹ssen von aussen, was eine Grundvoraussetzung f¨¹r technologische Anwendungen ist: Um sie umzupolen, muss pro Atom eine tausendmal gr?ssere Energie ¨C Wissenschaftler sprechen von der magnetischen Anisotropieenergie ¨C aufgewendet werden als bei reinem Kobaltmetall. ?Unser System hat die h?chstm?gliche magnetische Anisotropieenergie pro Atom f¨¹r die sogenannten ?bergangsmetalle, also jene Materialien, aus denen Magnete in der Regel hergestellt werden?, so Gambardella.

Schliesslich gelang es den Forschenden auch, detailliert zu beschreiben, welche Gesetze der Quantenphysik in diesen Minimagneten eine Rolle spielen. In der Quantenwelt sind Effekte oft nur kurzlebig. Die Magnetisierung ihres Ein-Atom-Systems bleibt bei tiefen Temperaturen w?hrend 200 Mikrosekunden erhalten, was verh?ltnism?ssig lang ist und ebenfalls einen Rekord f¨¹r die ?bergangsmetalle bedeutet. ?Der Miniaturisierung sind wegen der atomaren Struktur der Materie physikalische Grenzen gesetzt. In unserer Arbeit haben wir nun gezeigt, dass es m?glich ist, stabile magnetische Komponenten aus einzelnen Atomen herzustellen, also der kleinsten m?glichen Struktur?, sagt der ETH-Professor.

Letztlich sei das benutzte Modellsystem eines f¨¹r die Miniaturisierung von MRAM-Speichermedien (f¨¹r englisch: Magnetoresistive Random Access Memory), so Gambardella. Dies sind eine Klasse von Speichermedien, auf denen Information permanent gespeichert werden kann, ohne dass die Information wie bei den in PCs eingebauten RAM-Arbeitsspeichern fortw?hrend erneuert werden muss. Heute kommt MRAM in Spezialanwendungen zum Einsatz, zum Beispiel wegen ihrer Resistenz gegen¨¹ber kosmischer Strahlung in Steuerungssystemen von Flugzeugen und Satelliten. Es gibt allerdings Bestrebungen der Industrie, MRAM auch f¨¹r den breiten Einsatz in PCs marktreif zu machen.