RUB-Physiker erforschen Magnetismus im Nanokosmos

Die magnetischen Gesetze des Nanokosmos haben Physiker der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Hartmut Zabel gemeinsam mit Kollegen an der Universität Uppsala, Schweden, mit einer neuen Methode experimentell untersucht: Sie stellten einen Kristall aus wechselweise atomar dünnen Eisen- und Vanadiumschichten her. Durch den nachträglichen Einbau von Wasserstoffatomen in die nicht-magnetischen Vanadiumlagen konnten sie die Wechselwirkungen zwischen den Eisenschichten gezielt und reversibel variieren. Sie bestimmten die Temperatur, bei der jeweils die magnetische Ordnung einsetzt. Damit konnten sie eine seit dreißig Jahren bestehende Theorie erstmals experimentell bestätigen. Über ihre Ergebnisse berichtet die renommierteste Fachzeitschrift für Physik „Physical Review Letters“.

Anders als im Kühlschrankmagneten

Dass im Nanokosmos andere Gesetze herrschen als im Kühlschrankmagneten, ist in der Theorie schon lange klar. Bochumer Physiker konnten zusammen mit ihren schwedischen Kollegen den Zusammenhang zwischen magnetischer Ordnung und Stärke der Wechselwirkung nun erstmals im Experiment aufklären. Es gelang ihnen mit modernsten Wachstumsmethoden, einen Kristall aus abwechselnd angeordneten einkristallinen Eisen- und Vanadiumlagen zu züchten. Die magnetischen Eigenschaften des künstlichen Schichtsystems lassen sich mit Hilfe von Neutronen beobachten: Neutronen verhalten sich wie kleine Kompassnadeln, die als Sonde den Magnetismus im Kristall abtasten. Die Neutronenexperimente führte Dipl. Phys. Vincent Leiner, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Ruhr-Universität, an der leistungsstärksten Neutronenquelle der Welt in Grenoble (Frankreich) durch. Dazu bediente er sich des Neutronen-Reflektometers ADAM, das die Bochumer Gruppe dort aufgebaut hat und seit über fünf Jahren betreibt.

Aus Anziehung wird Abstoßung

Die einzelnen Eisenatomlagen beeinflussen sich gegenseitig durch die Vanadiumschichten hindurch. Kühlt man die Schichten ab, dann richten sich alle magnetischen Momente in den Atomlagen gleich aus (Ordnungstemperatur). Bei hoher Temperatur herrscht Unordnung. Um diese Wechselwirkung auf sehr feiner Skala steuern zu können, bauten die Forscher nachträglich Wasserstoffatome in die Vanadiumschichten ein und veränderten dadurch die elektronischen Eigenschaften des Materials. „Unter Druck diffundieren die Wasserstoffatome in die Schicht, im Vakuum entweichen sie wieder“, erklärt Prof. Zabel das reversible Prinzip. Je mehr Wasserstoffatome sich in der Vanadiumschicht befinden, desto schwächer wird die magnetische Wechselwirkung zwischen den Eisenschichten und desto niedriger ist die Ordnungstemperatur. An einem gewissen Punkt gibt es überhaupt keine Wechselwirkung mehr. Fügt man noch mehr Wasserstoffatome ein, kehrt sich die magnetische Wechselwirkung um. Genau am Punkt der Umkehrung beginnt auch die Ordnungstemperatur wieder zu steigen.

Grundlagenwissen für sehr kleine Bauteile

In diesem Experiment ist es erstmals gelungen, die magnetischen Wechselwirkungen unter verschiedenen Bedingungen an ein- und demselben Kristall zu beobachten, was die Ergebnisse vergleichbar macht. Die Experimente belegen Annahmen über den Magnetismus im Nanokosmos, die schon 1970 vom Theoretiker Robert B. Griffiths vorher gesagt wurden. Zukünftig wollen die Bochumer Physiker noch kleinere Schichtstrukturen untersuchen, indem sie aus Eisenschichten kleinste Inseln herausätzen. Darin kommen dann nicht nur Kräfte zwischen den Atomebenen, sondern auch Kräfte innerhalb der einzelnen Atomlage ins Spiel. „Das Wissen um die Gesetze des Nanokosmos ist Voraussetzung für den Bau sehr kleiner Speicherelemente“, erläutert Prof. Zabel. Interesse an den Ergebnissen wird sicherlich die Computerindustrie haben, die bei der Herstellung von Speichermedien die Schwelle zum Nanokosmos überschreitet.

Titelaufnahme

V. Leiner, K. Westerholt, A. M. Blixt, H. Zabel and B. Hjörvarsson: Magnetic Superlattices with Variable Interlayer Exchange Coupling: A New Approach for the Investigation of Low-Dimensional Magnetism. In: Physical Review Letters, Vol. 91, Artikel 037202, 18. Juli 2003

Weitere Informationen

Prof. Dr. Hartmut Zabel, Lehrstuhl für Experimentalphysik/Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NB 4/125, Tel. 0234/32-23649, Fax: 0234/32-14173, E-Mail: hartmut.zabel@rub.de