Einzelne Atome stoppen magnetische Wirbel

  Pinning eines magnetischen Vortex an Adsorbat-Atomen Urheberrecht: © Marco Pratzer Unten ist der magnetische Wirbel mit dem als dunkles Loch erscheinenden Wirbelkern als Farbmuster auf der Topographie einer Eiseninsel abgebildet. Die Mitte symbolisert die Ausrichtung der atomaren Magnete im Wirbelkern. Oben ist der Weg des Wirbelkerns

05.06.2020

Die Arbeitsgruppe von M. Morgenstern der RWTH Aachen und von S. Lounis des Forschungszentrum Jülich, vereint in der Jülich-Aachen Research Alliance, haben herausgefunden, dass magnetische Wirbelkerne, die aus etwa 10.000 Atomen bestehen, von einzelnen anderen Atomen aufgehalten werden. Die resultierende Wechselwirkung wurde im Detail mit Hilfe eines in Aachen entwickelten Rastertunnelmikroskops untersucht. Das Mikroskop erlaubt es, die Elementarmagnete einzelner Atome abzubilden und diese gezielt zu beeinflussen. Das überraschende Ergebnis des Einzelatom-Stoppers bedingt neue Designregeln für moderne Datenspeicher und wurde in der renommierten Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Wirbel im Haupthaar, in fließendem Wasser oder bei Stürmen, z.B. als Auge eines Orkans, sind äußerst stabil. Dasselbe gilt auch auf der Nanometerskala und lässt sich für die Datenspeicherung nutzen. Natürliche Nanometer-Wirbel bilden sich beispielsweise in magnetische Nano-Inseln aus Eisen (s. untere Abbildung), d.h. die Elementarmagnete der Atome ordnen sich in Kreisen um ein Zentrum, den so genannten Wirbelkern. Im Kern zeigen die Elemen­tarmagnete dann aus der Kreisebene heraus (s. mittlere Abbildung), ähnlich wie sich im Kern eines Wasserwirbels ein tiefes Loch bildet. Anders als beim Wasser wirkt die Erdanziehung jedoch nicht auf die Elementarmagnete, so dass sich zwei mögliche Einstellungen des Kerns ergeben. Im übertragenen Sinne, kann sich gleichberechtigt sowohl ein tiefes Loch bilden als auch ein hoher Berg im Wirbelkern auftürmen.

Das Schalten der Wirbelkerne zwischen diesen beiden Zuständen, Loch und Berg, ist eine attraktive Möglichkeit, Information mit hoher Speicher-Dichte zu kodieren, da die magnetischen Wirbelkerne nur einen Durchmesser von wenigen Nanometern aufweisen. Um die Wirbelkerne zu schalten oder auszulesen müssen sie auf einer Art Autobahn zu den Schalt- und Auslesestellen verschoben werden. Die Forscher aus Aachen und Jülich haben nun herausgefunden, dass schon einzelne Atome signifikante Hindernisse auf diesem Weg darstellen und die intendierte Bewegung des Wirbelkerns stoppen (s. obere Abbildung). Dieses zunächst ernüchternde Ergebnis kann prinzipiell genutzt werden, um Leitplanken für die Wirbelautobahn aufzubauen. Ketten von Atomhindernissen erzeugen die Leitplanken. Es ergeben sich ergo ganz neue Design­kriterien für den Aufbau effizienter Datenspeicher.

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