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Magnetismus

Ein Kompass, der nach Westen zeigt

| Autor / Redakteur: Sebastian Jutzi* / Dr. Ilka Ottleben

Ein Kompass zeigt im Gelände die Magnetische Nord-Richtung an.
Ein Kompass zeigt im Gelände die Magnetische Nord-Richtung an. (Bild: gemeinfrei; von Pexels auf Pixabay)

Ein Kompass zeigt immer nach Norden bzw. die Nord-Süd-Richtung an. Gilt das immer? Im Nanobereich haben Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich nun ein besonderes Phänomen des Magnetismus entdeckt. Es ermöglicht, Magnete in ungewöhnlichen Konfigurationen zusammenzustellen. Zum Beispiel auch solche, die nicht an einer Kühlschranktür haften.

Villigen/Schweiz – Magnete zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen Nordpol und einen Südpol haben. Werden zwei Magnete nahe aneinandergehalten, ziehen sich deren entgegengesetzte Pole an und die gleichen stoßen sich ab. Deshalb richten sich magnetische Nadeln, wie sie beispielsweise in einem Kompass vorkommen, im Erdmagnetfeld so aus, dass damit die Kardinalrichtungen Nord und Süd und daraus abgeleitet Ost und West bestimmt werden können. In der Welt, die wir jeden Tag mit unseren Sinnen erleben, ist diese Regel richtig.

Wenn man jedoch die makroskopische Welt verlässt und in die Tiefen viel kleinerer Dimensionen eintaucht, ändert sich das. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben nun eine ganz besondere magnetische Wechselwirkung auf der Ebene nanoskopischer Strukturen aus wenigen Atomschichten entdeckt.

Die Atome wirken dort wie winzige Kompassnadeln und entfalten ihre Wirkung über äußerst kurze Entfernungen im Nanometerbereich, also einige millionstel Millimeter. Deshalb sprechen die Forschenden auch von Nanomagneten.

Das Phänomen, das die Forschenden des PSI nun beobachten konnten, basiert auf einer Wechselwirkung, die die beiden Physiker Igor Dzyaloshinskii und Toru Mariya vor mehr als 60 Jahren vorhergesagt haben. „Das war unser Ausgangspunkt“, sagt Zhaochu Luo, Physiker am PSI und an der ETH Zürich.

Nord-West- und Süd-Ost-Kopplung von Atomen

Bei dieser Wechselwirkung richten sich die Atomkompassnadeln nicht nur in Nord-Süd-Richtung, sondern auch in Ost-West-Richtung aus. „Wohin sie zeigen, hängt davon ab, wie sich die Atome in ihrer Nachbarschaft orientieren“, sagt Zhaochu Luo, Erstautor der Studie. Wenn beispielsweise eine Gruppe von Atomen nach Norden zeigt, weist die benachbarte Gruppe immer nach Westen. Wenn eine Gruppe von Atomen nach Süden zeigt, dann orientieren sich die benachbarten Atome nach Osten.

Diese Orientierungen können durch Magnetfelder oder elektrische Ströme umgekehrt werden, das heißt von Nord nach Süd und umgekehrt. Die benachbarten Atomgruppen orientieren sich dann entsprechend neu, entweder von West nach Ost oder umgekehrt.

Die Kopplung von Nord-West- und Süd-Ost-Orientierung entdeckten die Forschenden mithilfe einer nur 1,6 Nanometer dünnen Lage aus Kobaltatomen, die zwischen einer Platinschicht auf der einen und einer Aluminiumoxid-Schicht auf der anderen Seite eingeschlossen war. „Alleine die Herstellung dieser speziellen Schichtung für unsere Experimente dauerte etwa ein halbes Jahr“, so Zhaochu Luo, der am PSI in der Forschungsgruppe Mesoskopische Systeme von Laura Heyderman arbeitet, die auch Professorin an der ETH Zürich ist.

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