Wie magnetische Ladungen in Spin-Eis kristallisieren

Grafik mit länglichen Erhebungen auf einer Fläche, die wabenförmig angeordnet sind. An den Verbindungen sind negative und positive Ladungen gekennzeichnet.
Modell der magnetischen Ladungen im Spin-Eis

Magnete zeigen allgemein immer ein direkt verknüpftes Paar aus Nord- und Südpol. Doch in einem künstlichen Spin-Eis – einem exotischen Nanomaterial aus magnetischen Legierungen – ändert sich diese Anordnung. In Spin-Eis kristallisieren die magnetischen Ladungen oder auch Spins ganz analog zu den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen in Wassereis zu komplexeren Strukturen. Diese konnten nun amerikanische Physiker erstmals sichtbar machen und so neue Wege zu deren Kontrolle aufzeigen. Ihre Ergebnisse, die die schwierige Analyse von magnetischen Monopolen erleichtern und sogar zu neuartigen Datenspeichern führen könnten, präsentieren sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

„Wir können nun Nanomagnete in speziellen Mustern anordnen und ihre Wechselwirkungen vorhersagen und kontrollieren“ sagt Peter Schiffer von der Pennsylvania State University. Zusammen mit Kollegen von der University of Illinois bedampfte Schiffer eine Unterlage aus Silizium und Siliziumnitrid mit einer magnetischen Legierung aus Eisen und Nickel. In der nur 25 millionstel Millimeter dünnen Schicht lagerten sich die magnetischen Ladungen in einem Wabenmuster aneinander. So hatte etwa ein Nordpol direkt drei Südpole in seiner direkten Nachbarschaft. Jeder Südpol wiederum war von drei Nordpolen umgeben.

Mit einem Magnetkraftmikroskop konnten die Wissenschaftler diese an Kristalle erinnernde Struktur sichtbar machen. Zusätzlich gelang es ihnen, über ein Aufheizen des Spin-Eis die magnetischen Ladungen zu verändern. Wie sich diese Wechsel zwischen Nord- und Südpol auf die direkt benachbarten Nanomagnete auswirkten, ließ sich ebenfalls verfolgen. So erkannten Schiffer und Kollegen, dass einzelne magnetische Ladungen – auch Monopole genannt – das gesamte System ähnlich beeinflussten wie elektrische Ladungen das Kristallwachstum von Wassereis.

Kleinteiliges Muster in schwarz-weiß, in dem ring- oder wabenförmige Strukturen erkennbar sind.
Spin-Eis unter dem Magnetkraftmikroskop

Heute gehören solche Experimente mit Spin-Eis und Nanomagneten klar zur Grundlagenforschung. Doch eröffnen sie neue Methoden, um magnetische Effekte in mikroskopischen Dimensionen gezielt kontrollieren zu können. „Die Möglichkeit, Materialien mit delokalisierten Monopol-Ladungen zu erschaffen, ist ausgesprochen spannend und zeigt mögliche Anwendungen für Datenspeicher und Rechenprozesse“, sagt Cristiano Nisoli vom Los Alamos National Laboratory, der ebenfalls an diesen Arbeiten beteiligt war.