Spin-Analyse in Rekordtempo

Rastertunnelmikroskop offenbart elektronische Eigenschaften einzelner Atome wie eine Hochgeschwindigkeitskamera

Atome auf einer Oberfläche
Atome auf einer Oberfläche

San Jose (USA) - Wer Datenbits nur noch mit einzelnen Atomen speichern und verarbeiten kann, hält den Schlüssel für die potenziell kleinsten Schaltkreise überhaupt in der Hand. Als viel versprechender Kandidat gilt der magnetische Spin von Atomen, der mit aufwändigen Methoden bereits bestimmt werden konnte. Amerikanische Physiker schafften es nun, diese Dynamik auf der Quantenebene mit einem Rastertunnelmikroskop 100.000 Mal schneller zu analysieren als bisher möglich. Wie sie im Titelbeitrag der Zeitschrift "Science" berichten, könnte ihre Methode große Auswirkungen auf Entwicklungen in den Bereichen der Spintronik und der Quanteninformation haben.

"Diese Methode ermöglicht uns zum ersten Mal zu verstehen, wie lange Information in individuellen Atomen gespeichert werden kann", sagt Sebastian Loth vom IBM-Forschungslabor Almaden in San Jose. Mit seiner Arbeitsgruppe deponierte er Paare aus einzelnen Eisen- und Kupferatomen auf einer isolierenden Schicht aus Kupfernitrid. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops, die aus einem einzigen Manganatom bestand, bestimmten sie den Magnetspin des Eisenatoms. Mit zwei kurz aufeinander folgenden Spannungspulsen konnten sie die Stabilität dieses Magnetspins innerhalb von etwa 100 millionstel Millisekunden bestimmen und ebenso schnell schalten.

Mit dieser Methode steht ein neues Werkzeug zur Verfügung, um den Magnetspin von ganzen Atomketten systematisch zu kontrollieren und zu analysieren. Auf dem wohl noch langen Weg zu einem Spintronik-Prozessor könnte dieses Instrument wichtige Impulse liefern. Auch die Entwicklung von rudimentären Quantenschaltkreisen, die prinzipiell zu einer rasanten, parallelen Verarbeitung von Daten geeignet sind, ließe sich durch dieses Analyseverfahren beschleunigen. "Der Vorteil eines Rastertunnelmikroskops liegt nicht nur in der räumlichen Auflösung von Anregungen in Nanostrukturen", kommentiert Markus Morgenstern von der Technischen Universität Aachen diese Arbeiten. Es könne auch genutzt werden, um thermodynamisch metastabile Atomkonfigurationen zu bauen.