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Magnetische Domänen auf Wanderschaft

Winzige Strukturen mit Tunnelmikroskop sichtbar gemacht / Ferromagnetische Abtastnadel

Von Rainer Scharf


Foto Universität Hamburg
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Auf Computerfestplatten werden die Daten mit Hilfe von Magnetfeldern geschrieben und als Magnetisierungsmuster abgespeichert. Jedem Datenbit entspricht dabei ein winziger magnetisierter Bereich auf der Plattenoberfläche. Mit weiter zunehmender Speicherdichte werden die Bits bald weniger als zehn Nanometer (Milliardstel Meter) groß sein und damit nur noch aus jeweils einer sogenannten Domäne bestehen, einem magnetisierten Bereich, in dem alle Atome dieselbe magnetische Ausrichtung haben. Wie solche Domänen auf äußere Felder reagieren, war bisher nur in Umrissen bekannt. Entweder waren die Domänen zu klein, oder ihre Magnetisierung war für die zur Verfügung stehenden Untersuchungsverfahren zu schwach. Jetzt haben Oswald Pietzsch und seine Kollegen von der Universität Hamburg ein von ihnen entwickeltes Verfahren so weit verbessert, daß sie beobachten konnten, wie sich selbst kleinste Domänen bewegen, wie sie wachsen und miteinander verschmelzen.

Die Wissenschaftler haben für ihre Versuche die Oberfläche eines Wolframkristalls zunächst so präpariert, daß sie zahllose parallele Stufen aufwies. Wie die Untersuchung der Oberfläche mit einem Rastertunnelmikroskop zeigte, hatten die Stufen einen Abstand von ungefähr zehn Nanometern. Anschließend bedampften die Forscher die Oberfläche mit Eisenatomen, die sich bevorzugt unterhalb der Kanten der Stufen ablagerten. Dadurch entstanden dünne, magnetische Eisenstreifen.

Mit einem herkömmlichen Rastertunnelmikroskop, dessen Abtastnadel normalerweise unmagnetisch ist, ließen sich die winzigen magnetischen Strukturen in den Eisenstreifen nicht untersuchen. Deshalb überzogen die Hamburger Forscher die Nadelspitze mit dem ferromagnetischen Metall Gadolinium, worauf diese sich in einen Magneten verwandelte. Die Magnetisierung der Spitze war dabei senkrecht zur Oberfläche der Probe orientiert. Brachte man die Nadel über einen Eisenstreifen, dessen Magnetisierung in dieselbe Richtung zeigte wie die Spitze, floß ein großer Tunnelstrom zwischen Oberfläche und Spitze. Der Streifen erschien dadurch hell. Waren die beiden Magnetisierungsrichtungen einander entgegengesetzt ausgerichtet, floß ein geringerer Strom. Der Streifen erschien dunkel. Auf diese Weise konnten die Forscher die Magnetisierung der Eisenstreifen mit großer räumlicher Präzision - beinahe atomgenau - vermessen.

Die Frage, wie sich die Magnetisierung der Eisenstreifen auf ein von außen angelegtes Feld einstellt, können die Hamburger Forscher jetzt detailliert beantworten ("Science", Bd. 292, S. 2053). Sie haben dazu eine "jungfräuliche" Probe untersucht, die noch keinem starken Magnetfeld ausgesetzt worden war. Die Eisenstreifen der zunächst unmagnetischen Schicht erschienen darauf wie ein Zebramuster hell und dunkel. Die Magnetisierungen zeigten abwechselnd aus der Oberfläche heraus und in sie hinein.

Als die Forscher die Eisenschicht einem Magnetfeld aussetzten, das senkrecht zur Schicht stand, und seine Stärke langsam erhöhten, orientierte sich die Magnetisierung in den Eisenstreifen in zunehmendem Maße in Richtung des Magnetfeldes. Die Forscher konnten beobachten, wie in einem zunächst "falsch" - also entgegen dem Magnetfeld - magnetisierten Streifen zunächst winzige, nur wenige Nanometer lange Bereiche entstanden, die "richtig" magnetisiert waren. Diese magnetischen Domänen wuchsen auf Kosten der falsch magnetisierten Bereiche an und verschmolzen miteinander, bis der ganze Eisenstreifen schließlich in dieselbe Richtung magnetisiert war wie die Spitze des Rastertunnelmikroskops.

Gelegentlich kam es jedoch vor, daß sich zwischen zwei richtig magnetisierten Bereichen hartnäckig eine falsch magnetisierte Domäne hielt, die nur wenige Nanometer breit war. Selbst ein Magnetfeld von knapp einem halben Tesla, also dem Zehntausendfachen des Erdmagnetfeldes, konnte ihr nichts anhaben. Wie eine genaue Messung entlang des Eisenstreifens zeigte, drehte sich dessen Magnetisierungsrichtung schraubenförmig um 360 Grad, wenn man die falsch magnetisierte Domäne passierte. Diese Verdrillung verhinderte, daß die beiden richtig magnetisierten Bereiche zusammenwachsen konnten. Erst bei einer Feldstärke von mehr als einem Tesla wurde die verdrillte Magnetisierung des Streifens "gewaltsam" ausgerichtet. Die falsch magnetisierte Domäne verschwand.

Als die Forscher das Magnetfeld schließlich abschalteten, blieb die Magnetisierung der Streifen erhalten. Die anfangs unmagnetische Eisenschicht war also zum Ferromagneten geworden. Das von den Hamburger Wissenschaftlern entwickelte Verfahren erlaubt ungewöhnlich detaillierte Einblicke in die magnetischen Vorgänge, die sich in nanometergroßen Strukturen abspielen. Es wird dabei helfen, die Magnetspeicher von Computern weiter zu verbessern und die Speicherdichte zu erhöhen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 04.07.2001, Nr. 152 / Seite N2

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