Weltpremiere: Forscher lenken einzelne Atome gezielt mit Magnetismus

Forschern aus Deutschland ist etwas Besonderes gelungen: Sie haben es zum ersten Mal geschafft, einzelne Atome auf einer magnetischen Oberfläche gezielt in eine Richtung zu lenken.

Die Ergebnisse des Experiments haben sie in ihrer Studie, die im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht wurde, zusammengefasst. Die wissenschaftliche Errungenschaft liefert Potenzial für die Nanotechnologie und Datenspeicherung. 

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Wie sich Atome bewegen

Es wird schon länger vermutet, dass Magnetismus bei der Bewegung von einzelnen Atomen helfen könnte. Doch bisher konnte das nicht experimentell nachgewiesen werden. 

Denn für gewöhnlich bewegen sich einzelne Atome auf Oberflächen zwar, das passiert aber eher zufällig und nicht gewollt. Ihre Bewegung kommt dann vor allem durch die Symmetrie der Oberfläche zustande. In der Wissenschaft wird dieser Prozess “Diffusion” genannt, wie es in der Presseaussendung heißt. 

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Der Versuchsablauf

Dieser Diffusionsprozess findet seine Anwendung bei der Herstellung von Halbleitern oder Nanostrukturen. Um die Atome gezielt zu untersuchen, haben Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universität Hamburg ein Rastertunnelmikroskop verwendet. 

Kobalt-, Rhodium- und Iridiumatome wurden darin 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt, also bei 4 Kelvin, auf einer Mangan-Schicht platziert. Diese ist eine Atomlage dick und wurde zuvor auf eine Oberfläche aus dem Metall Rhenium aufgedampft. Das heißt, es wurde eine Art feiner Nebel draufgelegt. 

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Die Erkenntnisse des Versuchs

Durch diesen Aufbau kommt es zu einer definierten und magnetisch geordneten Oberfläche. Dabei stellten die Forschenden fest, dass - obwohl die Oberfläche eine regelmäßige, sechseckige Struktur hat - sich die Atome nach einem Stromimpuls nicht willkürlich in diese 6 Richtungen bewegen. 

Stattdessen folgen sie gezielt magnetischen Linien auf der Oberfläche. Und das auch dann, wenn die Atome selbst nicht magnetisch sind, was beispielsweise auf Rhodium und Iridium zutrifft. 

Quantenmechanik als Erklärung 

Um das Phänomen zu erklären, führten die Forschenden quantenmechanische Rechnungen auf Supercomputern durch. Dabei zeigte sich, dass es für Atome effizienter ist, sich entlang der magnetischen Linien zu bewegen. 

Der Grund dafür ist eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Atom und den Atomen der Oberfläche. Bei magnetischen Atomen wie Kobalt kommt diese Wirkung von ihrem eigenen Magnetfeld. Bei nichtmagnetischen Atomen entsteht durch den Kontakt mit der Oberfläche ein Magnetfeld, das die Bewegung beeinflusst. 

Dadurch folgen die Atome den magnetischen Linien. „Das eröffnet neue Möglichkeiten, atomare Bewegungen gezielt zu steuern - etwa für Anwendungen in der Nanotechnologie, der Datenspeicherung oder bei der Entwicklung neuartiger Materialien“, sagt Soumyajyoti Haldar, der an der Studie beteiligt war.