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Kleine Kräfte, große Wirkung

Forschen

Große Erkenntnisse dank der Einblicke in kleinste Strukturen. Die Rastertunnelmikroskopie und die Rasterkraftmikroskopie machen es möglich. Foto: Uni Graz/Jacobson

Forscher aus Stuttgart und Graz kontrollieren magnetische Eigenschaften von einzelnen Atomen

Ein Wasserstoffatom ist das Zünglein an der Waage bei den Forschungen von Dr. Peter Jacobson. Der Physiker der Karl-Franzens-Universität Graz hat mit Kollegen am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart einen Weg gefunden, die magnetischen Eigenschaften von einzelnen Atomen gezielt zu beeinflussen. Wird ein Wasserstoffatom auf ein Atom eines Metalls, zum Beispiel Kobalt, übertragen, haben die dabei auftretenden Bindungskräfte Auswirkungen auf den Spin des Kobaltatoms. Indem die Physiker diese Kräfte manipulierten, konnten sie zwischen zwei verschiedenen Spin-Zuständen gewissermaßen hin- und herschalten und damit die magnetischen Eigenschaften des Kobaltatoms bewusst steuern. Ihre Forschungsergebnisse publizierten sie kürzlich im Wissenschaftsmagazin „Science Advances“.

Magnetismus spielt bei vielen technologischen Anwendungen eine Rolle, etwa in Computer-Festplatten oder anderen Medien zur Datenspeicherung. Die Verkleinerung solcher Komponenten wäre maximal bis auf die Ebene einzelner Atome möglich. „Will man Magnetismus in diesem Maßstab kontrollieren, ist es wichtig zu verstehen, wie der Spin eines Atoms mit seiner Umgebung interagiert, um dieses Wissen zur gezielten Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften nutzen zu können“, erklärt Peter Jacobson, Erstautor der aktuellen Publikation. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Teilchen, vergleichbar mit dem mechanischen Drehimpuls, und verantwortlich für magnetische Phänomene.

Jacobson und seine Kollegen interessieren sich im Speziellen dafür, wie sich magnetische Zustände ein- und ausschalten lassen und wie sich der Übergang von einem Zustand in einen anderen im Detail vollzieht. „Für unsere eben veröffentlichte Arbeit konzentrierten wir uns auf den Spin eines Kobaltatoms“, berichtet der US-Amerikaner, der von 2012 bis 2016 am Max-Planck-Institut in Stuttgart forschte und seit einem Jahr zur Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Dr. Leonhard Grill an der Uni Graz gehört.
Bei ihren Untersuchungen bedienten sich die Wissenschafter der Rastertunnelmikroskopie (RTM) und der Rasterkraftmikroskopie (AFM Atomic Force Microscopy). Von der Metallspitze des RTM übertrugen sie ein Wasserstoffatom auf ein Kobalt-Monohydrid-Molekül. „Durch Veränderungen der Position der Spitze des RTM im Pikometer (Billionstel Meter)-Bereich ist es uns gelungen, zwischen zwei verschiedenen Spin-Zuständen des Kobaltatoms hin- und herzuschalten – genauer gesagt zwischen magnetischer Anisotropie und dem Kondo-Effekt“, fasst Jacobson zusammen. Beides sind wesentliche magnetische Phänomene auf der Ebene einzelner Atome. Die Möglichkeit, den Spin zu kontrollieren und damit den Magnetismus zu steuern, könnte also im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen durchaus von Nutzen sein.

Von besonderer Bedeutung sind die Forschungsergebnisse auch deshalb, weil – erstmals in der Untersuchung magnetischer Phänomene – die RTM mit der AFM kombiniert wurde und damit „Bilder“ von bisher unerreichter Auflösung im Nanometer-Bereich gewonnen werden konnten. „Mit der AFM lassen sich die atomaren Kräfte in dem Moment, in dem der Spin vom einen in den anderen Zustand wechselt, exakt messen“, so Jacobson. „Daraus sehen wir genau, wie sich dieser Wechsel vollzieht, wie der Reaktionsweg aussieht, wenn das Wasserstoff- mit dem Kobaltatom eine Bindung eingeht.“ Diese Arbeiten legen den Grundstein für die weitere Erforschung magnetischer Phänomene mit Hilfe der AFM.

Publikation
Potential energy-driven spin manipulation via a controllable hydrogen ligand
Peter Jacobson, Matthias Muenks, Gennadii Laskin, Oleg Brovko, Valeri Stepanyuk, Markus Ternes, Klaus Kern
Science Advances, 14. April 2017 

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