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Neue Magnetmaterialien für die Informationstechnologie

20. Oktober 2014

Molekulare Magnete könnten in einigen Jahren die Materialklasse der Wahl für leistungsfähigere Speichermedien und schnellere und energieeffizientere Prozessoren sein. Forschern aus Jülich und Hamburg ist nun ein weiterer Fortschritt bei der Suche nach geeigneten Substanzen gelungen. Sie erzeugten molekülgroße Hybridverbindungen aus Kohlenstoff und Eisen, deren magnetische Eigenschaften sich so einstellen lassen, dass sie drei essentielle Anforderungen erfüllen: Stabilität, Schaltbarkeit, sowie die Fähigkeit miteinander zu „kommunizieren“. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ nachzulesen (DOI: 10.1038/NNANO.2014.235).

Kleiner, schneller, energieeffizienter – das sind die Ansprüche an Prozessoren und Datenspeicher der Zukunft. Ohne sie blieben rechenintensive Funktionalitäten, wie selbstnavigierende Autos, wohl nur ein schöner Traum. Eine geeignete Materialklasse für die gesuchten Bauteile könnten magnetische Moleküle sein. Sie könnten einerseits – wie die heutigen Festplatten – Daten magnetisch speichern, aber auf viel kleinerem Raum als bisher. Jedes Molekül fungiert dabei als eine nanometerkleine Speichereinheit, deren magnetische Ausrichtung jeweils eine Null oder eine Eins kodiert. Wenn es gelingt, die Moleküle miteinander kommunizieren zu lassen, wären nicht nur schnellere Prozessoren sondern auch ganz neue Funktionalitäten realisierbar, etwa nichtflüchtige Arbeitsspeicher, die energieeffizienter als heutige wären und keine Daten verlören, wenn die Stromversorgung ausfällt.

Wissenschaftler des Forschungszentrum Jülich und Universität Hamburg sind geeigneten Materialien nun einen weiteren Schritt näher gekommen, indem sie wabenförmig strukturierte Kohlenstoff-Nanogebilde von unterschiedlicher Größe chemisch an Atome einer Eisenschicht auf Iridium befestigten. „Die entstehenden Hybride erwiesen sich bei der Speicherung magnetischer Information als äußerst stabil gegenüber äußeren Magnetfeldern und sind dennoch gezielt umschaltbar, was essentiell für das Einschreiben der Informationen ist. Gleichzeitig können sie miteinander kommunizieren, da sie magnetisch untereinander gekoppelt sind“, erläutert der Jülicher Wissenschaftler Dr. Nicolae Atodiresei. Der theoretische Physiker am Peter Grünberg Institut und am Institute for Advanced Simulation entwickelte gemeinsam mit seinen Kollegen ein physikalisches Modell, das die Eigenschaften des Materials erklärt.

Obwohl die Eisenschicht insgesamt keine Nettomagnetisierung aufweist, führt eine starke Wechselwirkung zwischen den Eisenatomen und den Kohlenstoffstrukturen zur Bildung stabiler lokaler magnetischer Einheiten, die sich schalten lassen. Der Clou: die Stabilität der Hybride lässt sich über die Größe der Kohlenstoffmoleküle einstellen. Je kleiner die Moleküle, desto stabiler das magnetische Moment pro Eisenatom.

Und obwohl die Kohlenstoffgebilde (Coronenmoleküle und Graphenflocken) wie winzige isolierte Inselchen verstreut auf der nur eine Atomlage dicken Eisenschicht liegen, stehen die magnetischen Momente der Kohlenstoff-Eisen-Hybride dennoch miteinander im Kontakt. Diesen vermitteln wirbelförmige Spinstrukturen auf der Oberfläche der Eisenschicht, die ihrerseits miteinander kommunizieren – so genannte magnetische Skyrmionen. Diese Strukturen, die bereits 25 Jahre zuvor vorhergesagt worden waren, hatten die Jülicher und Hamburger Arbeitsgruppen 2011 in magnetischen Filmen entdeckt.

Hergestellt und getestet wurden die Materialien an der Universität Hamburg. Zum Schalten der Hybride verwendeten die Hamburger Wissenschaftler spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie. Die Messungen mussten die Forscher bei eisigen 6,5 Kelvin (etwa -267°Celsius) durchgeführt, doch sie sind zuversichtlich, dass die Hybride auch bei deutlich höheren Temperaturen einsetzbar wären. Die Jülicher waren bereits zuvor an der Herstellung schaltbarer metallorganischer Moleküle beteiligt, die schon bei -20°Celsius funktionieren.

Originalveröffentlichung:

Long-range magnetic coupling between nanoscale organic-metal hybrids mediated by a nanoskyrmion lattice;
J. Brede et al.;
Nature Nanotechnology (2014); DOI: 10.1038/NNANO.2014.235

Nanomagnetismus - NatureIllustration molekularer Magnete in einem Netz aus Skyrmionen. Die Kegel zeigen die lokale Magnetisierungsrichtung an, rot nach oben, grün nach unten
Copyright: J. Brede/Universität Hamburg


Weitere Informationen:

Pressemitteilung vom 19.10.2014 des Sonderforschungsbereichs 668 - Magnetismus vom Einzelatom zur Nanostruktur: Verknotete molekulare Magnete

Pressemitteilung vom 23.1.2014 Neuer Weg zur Herstellung von Nanomagneten für die Informationstechnologie

Pressemitteilung vom 21.7.2011 Neue magnetische Ordnung entdeckt

Institutsbereich Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Arbeitsgruppe der Universität Hamburg


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