Ein Kompass, der nach Westen zeigt

Bei dieser Wechselwirkung richten sich die Atomkompassnadeln nicht nur in Nord-S¨¹d-Richtung, sondern auch in Ost-West-Richtung aus. ?Wohin sie zeigen, h?ngt davon ab, wie sich die Atome in ihrer Nachbarschaft orientieren?, sagt Luo, Erstautor der Studie, die soeben im Fachmagazin ?Science? ver?ffentlicht wurde. Wenn beispielsweise eine Gruppe von Atomen nach Norden zeigt, weist die benachbarte Gruppe immer nach Westen. Wenn eine Gruppe von Atomen nach S¨¹den zeigt, dann orientieren sich die benachbarten Atome nach Osten.

Diese Orientierungen k?nnen durch Magnetfelder oder elektrische Str?me umgekehrt werden, das heisst von Nord nach S¨¹d und umgekehrt. Die benachbarten Atomgruppen orientieren sich dann entsprechend neu, entweder von West nach Ost oder umgekehrt.

Aussergew?hnlich dabei ist, dass sich diese Wechselwirkung lateral, also seitlich in einer Ebene abspielt. Bislang konnten vergleichbare Kopplungen zwischen Nanomagneten nur vertikal, also bei ¨¹bereinander angeordneten Atomgruppen festgestellt werden.

Das gemeinsam von PSI- und ETH-Forschenden beobachtete Ph?nomen erm?glicht die Entwicklung magnetischer Netzwerke in einer Ebene. Damit lassen sich unter anderem sogenannte synthetische Antiferromagnete herstellen. In diesen Antiferromagneten zeigen Atomgruppen in regelm?ssigen Abst?nden entweder nach Norden oder nach S¨¹den. Die Anzahl der gegenl?ufig orientierten Nanomagnete ist etwa gleich, sodass sie sich in der Summe gegenseitig neutralisieren. Deshalb wirken Antiferromagnete auf den ersten Blick nicht wie Magnete ¨C zum Beispiel haften sie nicht an einer K¨¹hlschrankt¨¹r.

Die benachbarten Atome, die entweder nach Westen oder nach Osten ausgerichtet sind, wirken als Abstandshalter zwischen den Magneten, die nach Norden oder S¨¹den zeigen und jeweils nur wenige Nanometer gross sind. Dadurch ist es beispielsweise m?glich, neue, effizientere Computerspeicher und -schalter zu bauen, was wiederum die Leistungsf?higkeit der Mikroprozessoren erh?ht.

Logische Gatter f¨¹r Computer

Die einzelnen Nanomagnete, die entweder nach Norden oder nach S¨¹den 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 durchzuf¨¹hren. Ein solcher Computerbaustein kann auch mithilfe von Nanomagneten konstruiert werden, die nach Norden oder S¨¹den zeigen. Diese sind vergleichbar mit den heute ¨¹blichen Prozessoren mit Transistoren, die Signale in bin?rer Form verarbeiten, also alle Signale als Null oder Eins interpretieren. Nanomagnete, die entweder nach Norden oder nach S¨¹den ausgerichtet sind, k?nnen dies ebenfalls leisten. Das k?nnte Mikroprozessoren kompakter und effizienter machen.

Laut Pietro Gambardella, Professor f¨¹r Magnetismus und Grenzfl?chenphysik der ETH Z¨¹rich, 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?. 

Ihre Ergebnisse erzielten die Forschenden im Labor und an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI.