06.04.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Blick in die magnetische Zukunft

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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Nanomagnete
  • Phasenübergänge
  • Lithografie
  • Photoemissionselekt…
Mehr über ETH Zürich
  • News

    Lichtverstärkung beschleunigt chemische Reaktionen in Aerosolen

    Aerosole in der Atmosphäre reagieren unter Sonnenlichteinstrahlung. Im Innern der Aerosol-​Tröpfchen und -​Partikel wird das Licht verstärkt, was die Reaktionen beschleunigt, wie ETH-​Forschende nun zeigen und beziffern konnten. Die Wissenschaftler:innen raten, den Effekt in künftigen Klima ... mehr

    Spiegelkabinett als Sensorplattform

    Sensoren sind ein Grundpfeiler des Internets der Dinge, sie liefern die Daten für die Steuerung aller möglichen Objekte. Präzision ist dabei unerlässlich, und hier könnten Quantentechnologien einen wichtigen Beitrag leisten. Forscher in Innsbruck und Zürich zeigen nun, wie Nanoteilchen in w ... mehr

    Kunststoff in seine Einzelteile zerlegt

    Einem Team von ETH-​Forschenden um Athina Anastasaki ist es gelungen, einen Kunststoff in seine molekularen Bausteine zu zerlegen und über 90 Prozent dieser Bausteine zurückzugewinnen. Ein erster Schritt hin zur echten Wiederverwertung von Kunststoffen. Seit langem stellt die Chemie Polymer ... mehr

  • Forschungsinstitute

    ETH Zürich Inst.f. Lebensm.wiss.,Ern.,Ges.

    Die Kernkompetenzen des Labors für Lebensmittelmikrobiologie sind die Detektion und Kontrolle von pathogenen Organismen im Lebensmittel, die Analyse komplexer Mikrofloren und molekulare Mechanismen der bakteriellen Pathogenität. mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

Mehr über Paul Scherrer Institut
  • News

    Lichtverstärkung beschleunigt chemische Reaktionen in Aerosolen

    Aerosole in der Atmosphäre reagieren unter Sonnenlichteinstrahlung. Im Innern der Aerosol-​Tröpfchen und -​Partikel wird das Licht verstärkt, was die Reaktionen beschleunigt, wie ETH-​Forschende nun zeigen und beziffern konnten. Die Wissenschaftler:innen raten, den Effekt in künftigen Klima ... mehr

    Neuartige Röntgenlinse erleichtert Blick in die Nanowelt

    Forschende am PSI haben erstmals eine sogenannte achromatische Linse für Röntgenlicht entwickelt. Damit lassen sich die Röntgenstrahlen auch dann gut auf einen einzigen Punkt fokussieren, wenn sie eine gewisse Bandbreite an Wellenlängen haben. Die neue Linse wird die Erforschung von Nanostr ... mehr

    Elektronen im japanischen Muster: Kagome-Metall verblüfft Wissenschaft

    Erst vor etwa vier Jahren haben Forschende herausgefunden, dass es Metalle gibt, in denen Atome wie in einem japanischem Flechtkorbmuster angeordnet sind – sogenannte Kagome-Metalle. Ein internationaler Forschungshype um die metallische Wunderwerkstoffklasse begann, der nun einen weiteren M ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Paul Scherrer Institut (PSI)

    Das Paul Scherrer Institut (PSI) ist ein multidisziplinäres Forschungszentrum für Naturwissenschaften und Technologie, das national und international eng mit Hochschulen, andern Forschungsinstituten, den Fachhochschulen und der Industrie zusammenarbeitet. Mit seinen rund 1300 Mitarbeiterin ... mehr