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Magnetismus

Ein Kompass, der nach Westen zeigt

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Magnete in ungewöhnlichen Konfigurationen

Außergewöhnlich dabei ist, dass sich diese Wechselwirkung lateral, also seitlich in einer Ebene abspielt. Bislang konnten vergleichbare Kopplungen zwischen Nanomagneten nur vertikal, also bei übereinander angeordneten Atomgruppen festgestellt werden.

Das gemeinsam von PSI- und ETH-Forschenden beobachtete Phänomen ermöglicht die Entwicklung magnetischer Netzwerke in einer Ebene. Damit lassen sich unter anderem sogenannte synthetische Antiferromagnete herstellen. In diesen Antiferromagneten zeigen Atomgruppen in regelmäßigen Abständen entweder nach Norden oder nach Süden. Die Anzahl der gegenläufig orientierten Nanomagnete ist etwa gleich, sodass sie sich in der Summe gegenseitig neutralisieren. Deshalb wirken Antiferromagnete auf den ersten Blick nicht wie Magnete – zum Beispiel haften sie nicht an einer Kühlschranktür.

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Die benachbarten Atome, die entweder nach Westen oder nach Osten ausgerichtet sind, wirken als Abstandhalter zwischen den Magneten, die nach Norden oder Süden zeigen und jeweils nur wenige Nanometer groß sind. Dadurch ist es beispielsweise möglich, neue, effizientere Computerspeicher und -schalter zu bauen, was wiederum die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren erhöht.

Logische Gatter für Computer

Die einzelnen Nanomagnete, die entweder nach Norden oder nach Süden gerichtet sind, eignen sich zum Bau von sogenannten Logikgattern. Ein solches Gatter ist ein Baustein in einem Computer und funktioniert als eine Art Schalter. Signale gehen in diese Gatter hinein und werden dann zu einem Ausgangssignal verarbeitet. In einem Computer sind viele dieser Gatter vernetzt, um Operationen durchzuführen. Ein solcher Computerbaustein kann auch mithilfe von Nanomagneten konstruiert werden, die nach Norden oder Süden zeigen. Diese sind vergleichbar mit den heute üblichen Prozessoren, deren Transistoren die Signale in binärer Form verarbeiten, also alle Signale als Null oder Eins interpretieren. Nanomagnete, die entweder nach Norden oder nach Süden ausgerichtet sind, können dies ebenfalls leisten. Das könnte Mikroprozessoren kompakter und effizienter machen.

Laut Pietro Gambardella, der diese Studie zusammen mit Laura Heyderman geleitet hat, „bietet die Arbeit eine Plattform, um Anordnungen von vernetzten Nanomagneten zu entwerfen und eine vollelektrische Steuerung von planaren logischen Gattern und Speichervorrichtungen zu erzielen“, wie die Forschenden im Wissenschaftsmagazin Science schreiben.

Neben dem Einsatz laborbasierter Methoden erzielten die Forschenden ihre Ergebnisse mittels Röntgen- Photoemissionselektronenmikroskopie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI.

Originalveröffentlichung: Z. Luo, T. Phuong Dao, A. Hrabec, J. Vijayakumar, A. Kleibert, M. Baumgartner, E. Kirk, J. Cui, T. Savchenko, G. Krishnaswamy, L. J. Heyderman, and P. Gambardella: Chirally coupled nanomagnets; Science 29. März 2019 DOI: 10.1126/science.aau7913 dpo

* Sebastian Jutzi: Paul Scherrer Institut (PSI), 5232 Villigen/Schweiz

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