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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 im Kompass so aus, dass damit die Kardinalrichtungen Nord und Süd und daraus abgeleitet Ost und West bestimmt werden können. Beim Eintauchen in noch viel kleinere Dimensionen vändert sich das offensichtlich. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben jetzt 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.
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. Das sind beinahe ideale Voraussetzungen für elektronische Schalterfunktionen und schnelle Richtungs-Umkehrungen, wie sie auch im digitalen Betrieb und in binären Systemen benötigt werden.
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.
Aussergewöhnlich scheint, 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.
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 wäre es beispielsweise möglich, neue, effizientere Computerspeicher und -schalter zu bauen, was wiederum die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren erhöht.
Die einzelnen Nanomagnete, die entweder nach Norden oder nach Süden gerichtet sind, eignen sich zum Bau von sogenannten Logikgattern, vergleichbar mit den heute üblichen Prozessoren, deren Transistoren die Signale in binärer Form verarbeiten, also alle Signale als Null oder Eins interpretieren, wie die Forschenden im Wissenschaftsmagazin Science schreiben.