Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von lithografisch erzeugtem künstlichen Kagome-​Spin-Eis, das die durch magnetische Brücken asymmetrisch verbundenen Permalloy-​Magnete im Nanomassstab zeigt.

Blick in die magnetische Zukunft

Publiziert

Forschende des PSI und der ETH Zürich haben zum ersten Mal beobachtet, wie sich winzige speziell angeordnete Magnete nur aufgrund von Temperaturänderungen ausrichten.

Der Einblick in die Vorgänge innerhalb von solch künstlichem Spin-​Eis könnte eine wichtige Rolle spielen bei der Entwicklung neuartiger Hochleistungsrechner.

Gefriert Wasser zu Eis, ordnen sich die Wassermoleküle mit ihren Wasserstoff-​ und Sauerstoffatomen in einer komplexen Struktur an. Wasser und Eis sind unterschiedliche Phasen desselben Materials, und die Umwandlung von Wasser zu Eis wird als Phasenübergang bezeichnet. Im Labor lassen sich nun Kristalle herstellen, bei denen die elementaren magnetischen Momente, die sogenannten Spins, mit Eis vergleichbare Strukturen bilden. Deshalb bezeichnen Forschende diese Strukturen auch als Spin-​Eis.

«Wir haben künstliches Spin-​Eis hergestellt, das im Wesentlichen aus Nanomagneten besteht. Diese sind so klein, dass sich ihre Ausrichtung einzig aufgrund der Temperatur ändern kann», erklärt der Hauptautor Kevin Hofhuis, der soeben seine Doktorarbeit abgeschlossen hat.

Im verwendeten Material sind die Nanomagnete in sechseckigen Strukturen angeordnet – ein Muster, das man aus der japanischen Korbflechtkunst unter dem Namen Kagome kennt.

«Bei künstlichem Kagome-​Spin-Eis wurden magnetische Phasenübergänge theoretisch vorhergesagt, aber bisher nie beobachtet», sagt Laura Heyderman, Professorin für Mesoskopische Systeme der ETH Zürich und Leiterin des Labors für Multiskalen-​Materialien-Experimente am PSI. Der Nachweis von Phasenübergängen gelang nun dank modernster Lithografie-​Verfahren zur Herstellung des Materials sowie einer speziellen Mikroskopie-​Methode an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Die Resultate dieser Experimente sind soeben in der Zeitschrift Nature Physics erschienen.

Der Trick: winzige Magnetbrücken

Für ihre Proben verwendeten die Forschenden eine Nickel-​Eisen-Verbindung, die als dünner Film auf ein Siliziumsubstrat aufgetragen wurde. Auf dieser Oberfläche wurde mit einem Lithografie-​Verfahren wiederholt das kleine, hexagonale Muster der Nanomagnete geformt, wobei ein Nanomagnet etwa einen halben Mikrometer (millionstel Meter) lang und ein Sechstel Mikrometer breit war.

Doch damit nicht genug. «Der Trick war, dass wir die Nanomagnete mit winzigen magnetischen Brücken verbanden», sagt Hofhuis. «Dadurch kam es zu kleinen Veränderungen des Systems, die es uns erst ermöglichten, den Phasenübergang so abzustimmen, dass wir ihn beobachten konnten. Allerdings mussten diese Brücken sehr klein sein, denn wir wollten das System nicht allzu sehr verändern.»

Dass dieses Unterfangen gelang, erstaunt den Physiker noch immer. Denn mit der Schaffung der Nanobrücken stiess er an die Grenzen der technisch möglichen, räumlichen Auflösung der heutigen Lithografie-​Methoden. Einige der Brücken sind nur zehn Nanometer gross.

Mikroskopie und Theorie

An der SLS verwendete das Team eine spezielle Mikroskopie-​Methode, die es ermöglicht, den magnetischen Zustand jedes einzelnen Nanomagneten in der Anordnung zu beobachten, die sogenannte Photoemissions-​Elektronenmikroskopie.

«Wir konnten ein Video aufnehmen, das zeigt, wie die Nanomagnete miteinander wechselwirken und dies allein als Funktion der Temperatur», sagt Hofhuis. Bei den ursprünglichen Bildern handelte es sich um einfache Schwarz-​Weiss-Kontraste, die ab und zu wechselten. Daraus konnten die Forschenden die Konfiguration der Spins, also die Ausrichtung der magnetischen Momente, ableiten.

«Sieht man sich ein solches Video an, weiss man aber noch nicht, in welcher Phase man sich befindet», erklärt Hofhuis. Dazu brauchte es theoretische Überlegungen, die Peter Derlet, PSI-​Physiker und Titularprofessor an der ETH Zürich, beisteuerte. Seine Simulationen zeigten, was theoretisch bei den Phasenübergängen geschehen sollte. Erst der Vergleich der aufgenommenen Bilder mit diesen Simulationen bewies, dass es sich bei den mikroskopisch beobachteten Vorgängen tatsächlich um Phasenübergänge handelt.

Phasenübergänge manipulieren

Die neue Studie ist ein weiterer Erfolg in der Erforschung von künstlichem Spin-​Eis, welches die Gruppe von Laura Heyderman seit mehr als einem Jahrzehnt untersucht. «Das Grossartige an diesen Materialien ist, dass wir sie massschneidern können und direkt sehen, was in ihnen passiert», sagt die Physikerin. «Wir können alle möglichen faszinierenden Verhaltensweisen beobachten, darunter die Phasenübergänge und Ordnungen, die vom Layout der Nanomagnete abhängen. Dies ist bei Spin-​Systemen in herkömmlichen Kristallen nicht möglich.»

Obwohl diese Untersuchungen zurzeit noch reine Grundlagenforschung sind, denken die Forschenden bereits an mögliche Anwendungen.

Die Kontrolle von verschiedenen magnetischen Phasen könnte für neuartige Arten der Datenverarbeitung interessant sein. Am PSI und anderswo wird untersucht, wie die Komplexität von künstlichem Spin-​Eis für neuartige Hochgeschwindigkeitsrechner mit geringem Stromverbrauch genutzt werden könnte. «Dabei orientiert man sich an der Informationsverarbeitung im Gehirn und macht sich zunutze, wie das künstliche Spin-​Eis auf einen Reiz wie ein Magnetfeld oder elektrischen Strom reagiert», erklärt Heyderman.

Literatur

  • Hofhuis K, Skjærvø SH, Parchenko S, Arava H, Luo Z, Kleibert A, Derlet PM, Heyderman LJ: Real-​space imaging of phase transitions in bridged artificial kagome spin ice, Nature Physics, online publiziert 04.04.2022

EVENTS

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 27.-29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 27.-29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 28.-29. September 2022

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 04.-06. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

IndustrieTag SüdWest

Total Production Day – Wir treffen uns, um zu gewinnen!

Datum: 06. Oktober 2022

Ort: Karlsruhe (D)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 18.-19. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25.-27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15.-18. November 2022

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 15.-18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21.-24. November 2022

Ort: Paris (F)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23.-24. November 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November-01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 14.-16. Februar 2023

Ort: Köln (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 07.-10. März 2023

Ort: Lyon (F)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 10. März 2023

Ort: Wädenswil (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 17.-21. April 2023

Ort: Hannover (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Stuttgart (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04.-10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05.-07. September 2023

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Basel (CH)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24.-27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Swisstech

Internationale Fachmesse für Werkstoffe, Komponenten und Systembau

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führenden Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai - 07. Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Bern (CH)

Bezugsquellenverzeichnis