Magnetismus an der Grenze

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Laut theoretischer Vorhersagen sollte eine unendlich lange Kette von Atomen - ein Nanodraht - bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts keine magnetische Ordnung ausbilden. Tatsächlich hat jedoch jeder reale Draht eine endliche Länge und so gelang es jetzt einer Gruppe von Physikern erstmals, Ferromagnetismus auch in derart dünnen Drähten zu beobachten.

Die Menschen kennen und nutzen den Magnetismus bereits seit mehr als 3000 Jahren. Wenngleich das Phänomen immer noch nicht vollständig verstanden ist, so weiß man doch, dass die magnetischen Eigenschaften eines Materials im Wesentlichen von seinen Elektronen stammen. Dabei verhalten sich einzelne Atome, in denen sich die Spin- und Bahndrehmomente ihrer Elektronen nicht zu Null summieren, wie magnetische Dipole – also winzige Stabmagnete. Die Stärke eines solchen magnetischen Dipols ist das magnetische Moment des Atoms.

In einem Festkörper, der aus vielen Atomen besteht, müssen jedoch noch zwei weitere Bedingungen für ferromagnetisches Verhalten erfüllt sein: Zum einen dürfen die Atome nicht ihr magnetisches Moment verlieren, wenn sich ihre äußeren Elektronen mit denen benachbarter Atome überlagern. Zum anderen muss sich jedes einzelne atomare Moment parallel zu dem seiner Nachbaratome orientieren, sodass sich in der Summe eine Magnetisierung des ganzen Festkörpers ergibt.

Die erste Bedingung ist nur bei wenigen chemischen Elementen und Verbindungen erfüllt: Dazu gehören neben Eisen, Nickel und Cobalt auch einige Selten-Erdmetalle sowie ihre Legierungen. Die zweite Bedingung, die parallele Ausrichtung, wird in diesen Materialien durch die so genannte Austauschwechselwirkung vermittelt – ein rein quantenmechanischer Effekt, der benachbarte Spins gerade so miteinander koppelt, dass sie sich bevorzugt parallel ausrichten.

Die Stärke dieser Wechselwirkung hängt wiederum von der Anzahl der benachbarten Atome und von der Temperatur ab. Steigt die Temperatur, wird die Ausrichtung erschwert oder ganz verhindert. Deshalb verlieren alle Ferromagneten ihre magnetischen Eigenschaften bei einer bestimmten, materialspezifischen Übergangstemperatur, der Curie-Temperatur.

Verglichen mit dreidimensionalen Festkörpern reagiert der Magnetismus in zweidimensionalen Dünnschichtsystemen sehr viel empfindlicher auf Temperaturänderungen, was vor allem an der reduzierten Anzahl von Nachbaratomen liegt. Und für den Extremfall einer unendlich langen, eindimensionalen Kette von Atomen besagt ein theoretisches Modell, dass Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts sofort jegliche Ausrichtung der Spins und damit den Ferromagnetismus verhindern.

Die Fortschritte bei der kontrollierten Materialsynthese erlauben es nun, die theoretischen Vorhersagen für solche idealen, niedrigdimensionalen Systeme mit experimentellen Messungen im Labor zu vergleichen. So beschreibt jetzt ein internationales Forscherteam, dem unter anderem auch Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich sowie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart angehören, erstmalig das magnetische Verhalten einer eindimensionale atomare Kette.

Diese Strukturen aus einzelnen Cobalt-Atomen stellten die Forscher mittels selbstorganisiertem Wachstum her. Dazu haben die Forscher Millionen parallel verlaufender atomarer Drähte durch Aufdampfen von Cobalt-Atomen auf eine regelmäßig gestufte Platin-Oberfläche hergestellt. Die Stufen binden – wie eine Gussform – die Cobalt-Atome zu den perfekten eindimensionalen atomaren Strukturen.

Die magnetischen Eigenschaften dieser Cobalt-Drähte untersuchten die Forscher an der European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble mithilfe der so genannten Röntgenzirkulardichroismus-Spektroskopie. So gelang es den Wissenschaftlern, in den atomaren, eindimensionalen Cobalt-Ketten – je nach Probentemperatur – eine kurz- beziehungsweise langreichweitige räumliche ferromagnetische Ordnung nachzuweisen. Die Ketten bestehen aus einzelnen, thermisch fluktuierenden, ferromagnetisch gekoppelten Atomen, die unterhalb einer Übergangstemperatur von zehn Kelvin in einen langreichweitig geordneten Zustand übergehen.

Verantwortlich dafür ist eine Energiebarriere, welche die Magnetisierung in eine bestimmte Vorzugsrichtung drängt. Im vorliegenden Fall lässt sich diese Barriere unterhalb der Schwellentemperatur von zehn Kelvin nicht mehr durch thermische Anregung überwinden. Die Höhe der Energiebarriere wird dabei unter anderem durch die Probenform festgelegt. Die Forscher stellten fest, dass die Barriere im Vergleich zu denen bei Festkörpern und dünnen Schichten sehr groß ist.

Diese Forschungsergebnisse erweitern nicht nur das fundamentale Verständnis des Magnetismus in niedrigdimensionalen Systemen, sondern sind auch äußerst bedeutsam für die Datenspeicher-Technologie. Zur Zeit bilden nämlich mehr als 10 000 Atome ein magnetisches Bit auf der Festplatte eines Computers. Ließe sich diese Zahl drastisch reduzieren, so könnte man damit auch die Speicherdichte entsprechend steigern. Klaus Kern vom Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung meint: "[...] In maßgeschneiderten Nanostrukturen könnten bereits einige hundert Cobalt-Atome genügen, um ein bei Raumtemperatur stabiles magnetisches Bit zu erzeugen. Das wären brillante Aussichten für den Wettlauf zum Terabitspeicher."