Neue Forschung untersucht den Magnetismus einzelner Atome
Im Rahmen des Projektes FURORE (Fundamental studies and innovative approaches of research on magnetism), verwendeten die Forscher innovative experimentelle Ansätze, um die einzelnen magnetischen Eigenschaften einzelner Atome auf Metall und Halbleiteroberflächen zu studieren. Das Projektteam demonstrierte die Fähigkeit, die Magnetisierungsantwort der einzelnen magnetischen Atome (Eisen), die auf einem nichtmagnetischen Substrat (Kupfer) adsorbiert wurden, mithilfe eines Rastertunnelmikroskops mit einer spinpolarisierten Spitze zu messen. Nach eingehender Charakterisierung dieser entfernungsabhängigen Wechselwirkungen, die dazu führte, dass sich Eisenatome an der Magnetisierungsspitze ausrichten oder dagegen ausrichten, je nach Atomabstand, konstruierte das Team einen Fahrplan der magnetischen Wechselwirkungen. Die Untersuchung der magnetischen Wechselwirkungen von einatomigen Magnetisierungskurven deutet darauf hin, dass in der Zukunft einzelne Atome zur Speicherung von Informationen in Geräten verwendet werden können. Mit Hilfe der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) bauten die Projektmitglieder erfolgreich komplexe künstliche magnetische Nanostrukturen auf. Die neu gebildeten linearen Eisenketten und Spin-frustrierten Nanostrukturen konnten mit ferromagnetischen Inseln kombiniert werden und schufen damit ein All-Spin-Logikgatter auf atomarer Ebene. Die Forscher verwendeten dann eine Technik mit der Bezeichnung Inelastische Elektronentunnelspektroskopie (IETS), um die Quanten-Spin-Zustände eines einzigen Eisenatoms, das an Kupfer, Silber oder Platin-Schichten gebunden ist, zu sondieren. Die Technik verwendet eine Abtastspitze in Atomgröße, die den Durchgang von Elektronen an das gebundene Eisenatom ermöglicht. Tunnelnde Elektronen durch zum Eisenatom übertragene Energie induzieren Veränderungen bei den Spineigenschaften von Eisenatomen. Dieses Experiment zeigte, dass die Leitungselektronenwolke des Substrats bei der Begrenzung der Lebensdauer der Eisenspinanregungen eine große Rolle spielt. Die Forscher kombinierten SP-STM und IETS, um auch die stromgetriebene Spindynamik von künstlich konstruierten Quantenmagneten, die aus wenigen Atomen bestehen, zu offenbaren. Zwei komplementäre Techniken wurden verwendet, um die Magnetisierungskurve auszulesen und die magnetischen Anregungen einzelner Dotierungsatome, die an Halbleiter gebunden sind, zu messen. Die Ergebnisse zeigten, dass ein magnetisches Dotieratom als atomares Magnetometer verwendet werden kann, um die Magnetisierung der Elektronenwolke auf der Halbleiteroberfläche zu messen. Die Projektmitglieder probierten erstmalig eine experimentelle Methode, die magnetische Austauschkraftspektroskopie genannt wird, aus, mit der sich Stärke der magnetischen Austausch-Wechselwirkung zwischen einzelnen Spinzuständen der magnetischen Spitze und der Proben-Atome über einen Vakuumspalt quantitativ messen lässt. Die Versuche wurden durch theoretische Studien über Energieverlustmechanismen zwischen der Spitze und der Probe ergänzt. Die Pionierforschung von FURORE über einatomige Magnetisierungskurven und magnetische Wechselwirkungen ist für die Entwicklung neuer Geräte mit erhöhter Speicherkapazität und Leistungsfähigkeit entscheidend.
