Die Kraft des stärksten Dauermagneten der Welt in einem Fleck so groß wie ein Atom. Diese rekordverdächtige Konstellation ist einem Forscherteam mit einem raffinierten Nano-Experiment geglückt. Die Physiker vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart sind in der Lage, eine aus drei Atomen bestehende Eisenkette mit einer feinen Mikroskopspitze gezielt magnetisch umzupolen. Der neue Effekt könnte die Entwicklung des Quantencomputers beflügeln und alternative Konzepte für künftige Speichermedien erschließen. Die Wissenschaftler zeigen ihre Ergebnisse im Fachmagazin Nature Nanotechnology.
Zunächst kreierten die Physiker eine bemerkenswerte Nanostruktur: Auf einer glatten Kupferoberfläche formierten sie mit der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops drei Eisenatome zu einer kurzen Kette. Dadurch entstand ein winziger Nanomagnet. Als nächstes pickten sie mit ihrem Mikroskop weiteres Eisen auf – mit dem Effekt, dass ein paar Eisenatome an der Spitze haften blieben und sie dadurch magnetisch machten. Dann manövrierten die Forscher die Spitze sehr dicht und mit hoher Präzision über die Eisenkette. Da sich mit dem Mikroskop extrem schnelle Prozesse messen lassen, konnte das Team analysieren, was sich innerhalb von Nanosekunden in der Eisenkette abspielte. Das überraschende Ergebnis: „Abhängig von der Position der Mikroskopspitze konnten wir das Magnetfeld der Eisenkette kurzzeitig umpolen“, beschreibt Gruppenleiter Sebastian Loth. „Wir waren verblüfft, wie gut das funktioniert.“
Die Erklärung: Aufgrund eines Quanteneffekts baut sich zwischen Mikroskopspitze und Eisenkette ein Magnetfeld mit besonderen Eigenschaften auf. „Einerseits ist es äußerst stark, andererseits räumlich sehr begrenzt“, sagt Loths Kollege Shichao Yan, Erstautor der Studie. Die Stärke erreicht einen Wert von einigen Tesla, mehr als der beste Dauermagnet. Dagegen beschränkt sich die Ausdehnung des Feldes auf den Bereich eines Atomdurchmessers. „Durch diese räumliche Begrenzung können wir winzigste Nanostrukturen gezielt ansteuern“, erläutert Loth. „Ein einzelnes Atomgrüppchen lässt sich umpolen, seine Nachbarschaft bleibt dagegen völlig unbeeinflusst.“
Das macht den neuen Effekt für zwei Einsatzfelder interessant. So könnte er sich als Kontrollprozess für Quantenbits eignen – der Schalteinheit eines neuartigen Rechnertyps, des Quantencomputers. Ein gewöhnlicher PC rechnet mit Bits, also mit Schalteinheiten, die entweder auf „Null“ oder auf „Eins“ stehen. Ein Quantencomputer dagegen basiert auf dem Quantenbit. Dieses kann nicht nur Eins oder Null sein, sondern auch sämtliche Werte dazwischen annehmen, was künftig höhere Rechengeschwindigkeiten erlauben soll. Bislang jedoch gibt es nur relativ primitive Labor-Prototypen – was unter anderem daran liegt, dass sich die Quantenbits nicht präzise genug ansteuern lassen. „Hier könnte der neue Effekt für Fortschritte sorgen“, sagt Loth. „Mit seiner Hilfe könnte man einzelne magnetische Quantenbits gezielt kontrollieren.“ Die dreiatomige Eisenkette zeigt bereits einige Eigenschaften eines Quantenbits. Nun denken die Forscher darüber nach, wie sich diese Eigenschaften weiter ausbauen lassen.
Doch auch für die Datenspeicherung könnte das Phänomen relevant sein. Denn je mehr Magnetbits man pro Fläche beschreiben und auslesen kann, umso höher ist die Speicherkapazität eines Mediums. „Mit unserem Verfahren lassen sich extrem kleine Nanostrukturen magnetisch ansteuern“, sagt Yan. „Rein theoretisch wäre es damit möglich, die Speicherdichte um einige Größenordnungen zu steigern.“ Dafür allerdings würden die dreiatomige Eisenketten, mit denen die Forscher bislang experimentierten, nicht taugen: Sie lassen sich zwar effizient umpolen, verlieren ihre Information aber innerhalb von Mikrosekunden wieder. Deshalb wollen die Forscher den neuen Effekt nun an Nanostrukturen anwenden, die das Zeug zu stabilen Magnetbits haben.
Neue Methode verifiziert topologische Phasen in magnetischen Materialien
„Topologische" Materialien sind faszinierende Festkörper, die nicht in die Standardklassifizierung von Isolatoren und Leitern fallen. Während ihre Masse isolierend ist, zeichnen sich diese Phasen durch elektrisch leitende Kanäle an den Rändern aus. Diese so genannten topologischen Phasen kö ... mehr
Warum optische Hohlräume chemische Reaktionen verlangsamen
Wir sind umgeben von chemischen Prozessen. Von neuartigen Materialien bis hin zu wirksameren Medikamenten oder Kunststoffprodukten: Chemische Reaktionen spielen eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung der Dinge, die wir alltäglich benutzen. Wissenschaftler*innen suchen ständig nach besseren ... mehr
Internationales Forschungsteam unter der Leitung der MPSD-Abteilung Mikrostrukturierte Quantenmaterie beobachtet erstmalig schaltbaren chiralen Transport in einem stukturell achiralen Kristall - dem Kagome-Supraleiter CsV₃Sb₅. Seine Arbeit ist in Nature erschienen. Ob sich ein Objekt von se ... mehr
Wie wollen wir in Zukunft heizen?
Die Frage des richtigen Heizens wird in Zeiten knapper Ressourcen und vor allem vor dem Hintergrund der Erderwärmung immer wichtiger und wird momentan hefig in den Medien diskutiert. Hat die alte Ölheizung noch eine Zukunft und wenn ja, kann man sie mit effizienten, nachhaltigen Brennstoffe ... mehr
225 Millionen Euro für Start-ups der Max-Planck-Gesellschaft
Zum erfolgreichen Geschäftsjahr für Max-Planck-Innovation gehören steigende Investmentsummen für die betreuten Start-ups. Vor allem Life Sciences Start-ups mit hohem Reifegrad sorgten für einen Rekord. Über 225 Millionen Euro an Wagniskapital sammelten Unternehmen im Beteiligungsportfolio v ... mehr
Stalaktiten und Stalakmiten in der Batterie?
Sie gelten als „Heiliger Gral“ der Batterieforschung: So genannte „Festkörperbatterien“. Sie besitzen keinen flüssigen Kern mehr, wie dies bei heutigen Batterien der Fall ist, sondern bestehen aus einem festen Material. Dies führt zu einigen Vorteilen: Unter anderem sind diese Batterien sch ... mehr
Katalysatoren - Multitalent Katalysator
Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr
STED - Lichtblicke in die Nanowelt
Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr
Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr
Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr
Um schnelle chemische Reaktionen besser zu verstehen und möglicherweise auch zu kontrollieren, muss man das Verhalten der Elektronen möglichst genau studieren – und zwar in Raum und Zeit. Bislang liefern Mikroskopieverfahren aber nur entweder räumlich oder zeitlich scharfe Bilder. Mit einer ... mehr
Neue Materialien für die Quantentechnologie
Während die herkömmliche Elektronik auf dem Transport von Elektronen beruht, könnten Bauteile, die nur Spin-Informationen weitergeben, vielfach energieeffizienter arbeiten. Physiker der Technischen Universität München (TUM) und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart h ... mehr
Maschinelles Lernen beschleunigt industriellen Optimierungsprozess
Ein interdisziplinäres Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung, der Technischen Universität München und der Robert Bosch GmbH setzt Methoden des Bayes'schen Maschinellen Lernens ein, um den Optimierungsprozess von Kupf ... mehr
Das Phänomen der Naturkonstanten und des Quanten-Hall-Effekts – Interview mit dem Nobelpreisträger Prof. Klaus von Klitzing mehr
Lithium Batterien - Zeit für einen genauen Blick
Wir nehmen Lithium Batterien unter die Lupe - vom Standpunkt eines zeitreisenden Jungforschers!Präsentiert vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. mehr
Supraleitung - Auf der Überholspur
Das Phänomen der Supraleitung wird mit Hilfe eines bizarren Vergleichs zwischen Elektronen und Kanadiern erklärt.Präsentiert vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. mehr
