Material aus Silizium und Zinn ist magnetisch

Obwohl weder Zinn noch Silizium für sich allein magnetisch sind, lässt sich aus den beiden Elementen ein Material mit magnetischen Eigenschaften herstellen. Das wiesen Forscher in einem Experiment nach, bei dem sie Zinnatome auf der Oberfläche eines dünnen Siliziumträgers anordneten. Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift „Nature Communications“ erschienen, könnten neue Varianten der Informationsverarbeitung ermöglichen.

Grund für den überraschenden Magnetismus sind die Elektronenspins: Jedes Elektron besitzt einen quantenmechanischen Drehimpuls, den sogenannten Spin. Dieser kann auf zwei Arten ausgerichtet sein und bewirkt, dass jedes einzelne Elektron ein magnetisches Moment besitzt. Dadurch verhält es sich wie ein winziger Stabmagnet. Normalerweise sind diese magnetischen Momente völlig zufällig ausgerichtet und heben sich innerhalb des Stoffes gegenseitig auf. Im Experiment von Gang Li und Kollegen von der Universität Würzburg sah es jedoch anders aus. „Durch die raffinierte Anordnung einzeln aufgebrachter Metallatome entstehen regelmäßig geordneter Muster der Elektronenspins“, erklärt Jörg Schäfer. Die Spins bilden ein gleichmäßiges Dreiecksgitter, das die Physiker zunächst nicht erklären konnten.

Dreiecksordnung der Elektronenspins
Geordnete Elektronenspins

In der Natur ordnen sich die Elektronen so an, dass die Spins von Nachbaratomen sich gegensätzlich ausrichten. In einem Dreiecksgitter ist das jedoch nicht möglich. Dieses Problem wird in der Physik als „Frustration“ bezeichnet. Dennoch konnten die Wissenschaftler um Li in dem untersuchten System eine Ordnung finden. Sie untersuchten das Material mittels Photoelektronenspektroskopie. Dabei wird eine Probe mit Photonen beschossen, wodurch Elektronen aus der Oberfläche herausgelöst werden. Aus der Energie und Winkelverteilung dieser Elektronen lassen sich Schlüsse über die Beschaffenheit der Probe ziehen. „Die Spins der Zinnatome haben sich auf dem Siliziumträger in einem ungewöhnlichen Muster mit reihenweise alternierender Ausrichtung angeordnet“, so Schäfer.

Diese Entdeckung magnetischer Ordnung illustriere ganz grundlegend die verblüffenden Möglichkeiten zur Steuerung elektronischer Wechselwirkungen auf atomarer Skala, erläutert Schäfer weiter. Ausgehend von diesen Ergebnissen könnten neue Theorien von spinbasierter Informationsverarbeitung auf dem bekannten Halbleiter Silizium entstehen. Damit wäre dann eine magnetische Kodierung der Daten möglich. Bisher wird nur die Ladung der Elektronen genutzt, um mithilfe winziger Kondensatoren Daten zu speichern. Bei der magnetischen Sicherung würde auch ihr Spin Informationen tragen. Die magnetische Speicherung verbraucht weniger Energie und ist gegenüber Stromausfällen sicher.