12/12/2013 - Neuer Weg zum Design von Nanogeräten für Sensoren und zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen

Menéame

Wissenschaftler des Instituts für Nanowissenschaften in Aragonien (INA) und des Labors für fortgeschrittene Mikroskopien (LMA) des Aragonischen Campus nahmen gemeinsam mit Experten aus Großbritannien, Portugal und Deutschland an der elektrische Steuerung der Anisotropie von Monoatommagneten, d. h. bei der elektrischen Verwaltung einer Eigenschaft, die zuvor nur durch strukturelle Veränderungen angepasst werden konnte.

Dank dieser Studie, die in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wird Natur Nanotechnology, Es wurde nachgewiesen, dass die Energie, die zur Änderung der magnetischen Ausrichtung eines einzelnen Atoms erforderlich ist, d. h. der Energie, die seine Stabilität und damit seine künftige Verwendung in mehreren Geräten bestimmt, durch die elektrische Verbindung des Atoms mit einem Metall gesteuert werden kann.

Dieses Ergebnis wurde durch die Zusammenarbeit einer internationalen Sachverständigengruppe, darunter David Serrate, Forscher Ramón und Cajal von der Universität Saragossa, und Maria Moro, der INA und der LMA der Universität von Zaragoza sowie Wissenschaftler der University College London (London Center for Nanotechnology, UCL-LCN, Großbritannien), el Iberian Nanotechnology Laboratory (INL, Portugal) und Max Planck Institute of Microstructure Physics (Deutschland).

Zwei Magnete werden je nach Ausrichtung ihrer Magnetpole angezogen oder abgestoßen. Die Tatsache, dass diese Pole in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind, wird als magnetische Anisotropie bezeichnet. Die Magnetanisotropie spielt eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Kompassnadel über die Festplatten bis hin zur Kernmagnetresonanz.

Durch die Verwendung von Tunneleffektmikroskopen (STM, Englisch) Scanning Tunnelling Microscopy), Forscher haben einen neuen Mechanismus entdeckt, der die magnetische Anisotropie auf der Atomskala kontrolliert. Diese ausgefeilten Teams befinden sich in der  Labor für fortgeschrittene Mikroskopie (LMA) der Universität von Zaragoza und ermöglichen die Beobachtung und Handhabung adsorbierter Einzelatome (durch physikalische oder chemische Interaktionen) auf Oberflächen.

Joaquín Fernández-Rossier vom Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) aus Portugal, stellt fest, dass bei großen "Teilen" des magnetischen Materials die magnetische Anisotropie hauptsächlich durch die Form aufgezwungen wird. Die Atome, die diesen Magneten bilden, besitzen auch ein Intrinsischer Magnetismus, und damit eine damit verbundene magnetische Anisotropie. Aber die Atome sind so klein (in einem 1 mm-Seiten-Gangmagnet sind etwa 100 Millionen Atome vorhanden, 10²⁰) dass ihnen keine bestimmte Form zugeordnet werden kann, und dies führt dazu, dass ihre Anisotropie typischerweise durch die Position und die elektrische Ladung der benachbarten Atome gesteuert wird.

In diesem Experiment beobachtete das Untersuchungsteam starke Variationen der magnetischen Anisotropie einzelner Co-Atome, abhängig von ihrer Position auf einer Kupfernitridmono-Isolierschicht, die wiederum auf einer Metalloberfläche gewachsen war. In den Laboren des LMA konnten Forscher die Korrelation dieser Veränderungen mit der elektrischen Verbindung zum Metall statistisch analysieren. Mit Hilfe von Computermodellierung und Theorie in Portugal und Deutschland konnten elektronische Interaktionen mit Metall als entscheidender Faktor für die Magnetanisotropie identifiziert werden.

David Serrate, Forscher Ramon und Cajal von der Universität von Zaragoza an der INA, betont er, dass "die INA-LMA-Infrastrukturen eine entscheidende Rolle beim Fortschritt der Nanowissenschaften spielen, und ein gutes Beispiel sind relevante wissenschaftliche Partnerschaften wie diese. Wenn das institutionelle Engagement für die Entwicklung und Pflege von Aragón anhält, kann es sich als strategische Enklave im Nanotechnologiesektor konsolidieren."  

Sie haben dies bereits getan. Cyrus Hirschedin vom London Center for Nanotechnology (LCN), der die Forschung leitete und koordiniert, unterstreicht die Bedeutung der elektrischen Steuerung einer Eigenschaft, die zuvor nur durch strukturelle Veränderungen angepasst werden konnte. "Sie eröffnet zweifellos eine neue Route im Nano-Design für Sensoren und für die Verarbeitung und Speicherung von Informationen."

Im Gegensatz zu anderen konventionellen Mechanismen ermöglicht der neue Effekt eine elektrische Einstellung der magnetischen Anisotropie, d. h. mit dem gleichen Mechanismus wie bei Feldeffekttransistoren. Dieses Ergebnis ist heute besonders wichtig, da es zeigt, dass es möglich ist, die Magnetanisotropie ohne Verwendung von seltenen Erden zu maximieren, die nur knappe Materialien enthalten, deren Extraktion Umwelt- und geostrategische Probleme hat.

Link zum Artikel:

"Control of single-spin magnetic anisotropy by exchange coupling" http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2013.264

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