Ein-Atom-Magnet geschaffen

Den Forschern ist es gelungen, im Labor extrem kleine, starke und stabile Magnete zu schaffen. Diese bestehen aus einem einzelnen Kobaltatom, das auf einer hauchdünnen Magnesiumoxid-Oberfläche sitzt. Pietro Gambardella, Professor für Magnetismus und Grenzflächenphysik an der ETH Zürich erklärte bei der Bekanntgabe, das Forscherteam habe die Grenzen der Miniaturisierung von Magneten aufzeigen wollen. Hergestellt haben die Wissenschafter die Ein-Atom-Magnete, indem sie eine winzige Menge Kobalt auf eine Magnesiumoxid-Oberfläche so aufdampften, dass sich vereinzelte Kobaltatome an die Oberfläche hefteten. Um die physikalischen Eigenschaften der Magnete zu beschreiben, wurden sie mit einem Rastertunnelmikroskop und dem Synchrotron am Paul Scherrer Institut in Villigen untersucht. Diese Messungen ergaben, dass das System mit den vereinzelten Kobaltatomen auf Magnesiumoxid pro Atom betrachtet ein dreimal stärkerer Magnet ist als einer aus reinem Kobaltmetall.

Lösung für neue Anwendungen?

Die Forscher haben festgestellt, dass die Ein-Atom-Magnete extrem stabil gegenüber Einflüssen von aussen sind, was eine Grundvoraussetzung für technologische Anwendungen ist: Um sie umzupolen, muss pro Atom eine tausendmal grössere Energie – Wissenschaftler sprechen von der magnetischen Anisotropieenergie – aufgewendet werden als bei reinem Kobaltmetall. Schliesslich gelang es den Forschenden auch, detailliert zu beschreiben, welche Gesetze der Quantenphysik in diesen Minimagneten eine Rolle spielen. In der Quantenwelt sind Effekte oft nur kurzlebig. Laut ETH-News bleibt die Magnetisierung ihres Ein-Atom-Systems bei tiefen Temperaturen während 200 Mikrosekunden erhalten, was verhältnismässig lang ist und ebenfalls einen Rekord für die Übergangsmetalle bedeutet. «Der Miniaturisierung sind wegen der atomaren Struktur der Materie physikalische Grenzen gesetzt. In unserer Arbeit haben wir nun gezeigt, dass es möglich ist, stabile magnetische Komponenten aus einzelnen Atomen herzustellen, also der kleinsten möglichen Struktur», so Gambardella.

Am Projekt beteiligt waren Forscher der ETH Zürich, der EPF Lausanne, der Universität Basel, des IBM Almaden Research Center im kalifornischen San Jose sowie der Georgetown University in Washington DC.