Hochbegabungspresse
Dreidimensionale Magnetwirbel entdeckten Wissenschaftler
des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des
Paul Scherrer Instituts (PSI) im Rahmen einer internationalen Kooperation. Die
Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“
veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.177201). Wirbelzustände sind mögliche Antennen für die
ultraschnelle, drahtlose Datenübertragung der Zukunft.
„Magnetische Wirbelzustände wurden bisher nur in zwei
Dimensionen, also innerhalb einer Fläche, beobachtet“, erklärt Sebastian Wintz,
Physiker am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Sie treten typischerweise in
nanometerkleinen Magnetscheiben auf. In einer Kooperation untersuchte Wintz nun
mit Kollegen des Schweizerischen Paul Scherrer Instituts dreidimensionale
magnetische Schichtsysteme: Die Forscher stapelten jeweils zwei Magnetscheiben,
getrennt durch eine dünne nichtmagnetische Metallschicht, übereinander. Der
spezielle Aufbau führt dazu, dass sich alle um die Zwischenschicht
herumliegenden Magnete zu gleichgerichteten, dreidimensionalen Wirbeln anordnen
– eine vollkommen neue Beobachtung.
Die Magnetwirbel helfen den Forschern, magnetische
Materialien grundlegend besser zu verstehen. Sie bieten aber auch
vielversprechende Anwendungen, zum Beispiel in der Informations- und
Kommunikationstechnologie. „Die dreidimensionalen Magnetwirbel könnten stabile
und leistungsstarke Antennen für die ultraschnelle, drahtlose Übertragung von
Informationen ermöglichen, zum Beispiel beim Mobilfunk oder W-Lan“, sagt Wintz.
Warum das so ist, verrät ein genauerer Blick in eine einzelne Magnetscheibe
sowie das am HZDR hergestellte magnetische Schichtsystem.
In einer Magnetscheibe sind alle Magnete – wie einzelne
Stabmagnete hintereinander – im Kreis angeordnet. Auch wenn sich die Magnete
nicht bewegen, sprechen Wissenschaftler von Magnetwirbeln, eben „statischen“.
In der Mitte der Magnetscheiben, dem Wirbelkern, können
sich die Magnete nicht weiter im Kreis ausrichten; sie zeigen aus ihm heraus, entweder
nach oben oder nach unten. Ein solcher Magnetwirbel eignet sich als Antenne für
die drahtlose Datenübertragung: Legt man einen Gleichstrom an, fängt der
Wirbelkern an, sich im Kreis zu drehen. Dabei strahlt er charakteristische
elektromagnetische Wellen ab. Wird die Geschwindigkeit aber zu hoch, wird das
System instabil, die Magnetisierungsrichtung klappt um und die Funkwelle wird
unterbrochen. Die Magnete im Wirbelkern richten sich nun in entgegengesetzter
Richtung aus, beginnen wieder sich zu drehen und senden erneut Wellen aus – bis
die Geschwindigkeit wieder zu hoch wird. Eine kontinuierliche Datenübertragung
ist damit also nicht möglich.
Das ist anders, wenn man zwei Magnetscheiben, getrennt
durch eine dünne nichtmagnetische Metallschicht, übereinander stapelt. Die
Struktur ist extrem flach; jede Magnetscheibe ist ca. zehn Nanometer dick und
hat einen Durchmesser von etwa 500 Nanometern. Die Zwischenschicht kann dazu
führen, dass in jeder Magnetscheibe die Magnete nicht genau im Kreis zeigen, sondern
entweder leicht Richtung Wirbelkern geneigt sind oder nach außen. Je näher die
Magnete an der Metallschicht liegen, desto mehr sind sie außerdem in Richtung
dieser Barriere gekippt. Und zwar so, dass alle – sowohl über als auch unter
der Zwischenschicht – in die gleiche Richtung zeigen: Die Magnete bilden
zwischen Kern und äußerem Rand einen statischen, dreidimensionalen Wirbel um
die Metallschicht herum.
Da die Magnete ganz innen fast senkrecht liegen und
benachbarte Magnete immer in die gleiche Richtung zeigen, sind auch die
senkrecht stehenden Magnete in den Wirbelkernen zweier übereinanderliegender
Magnetscheiben stets gleich ausgerichtet: Sie folgen dabei der Richtung des Magnetwirbels. Ein einfaches
Umklappen der Magnete ist dadurch nicht mehr möglich. „Die dreidimensionalen
Magnetwirbel stabilisieren die Magnetisierung im Wirbelkern. Magnetische
Schichtsysteme, wie die von uns hergestellten, eignen sich deshalb vermutlich
für Wirbelantennen besser als vergleichbare Einzelschichten“, fasst Sebastian
Wintz zusammen. Selbst bei hohen Drehgeschwindigkeiten bleibt die magnetische
Richtung im Wirbelkern so erhalten. „Es ist denkbar, Frequenzen von mehr als
einem Gigahertz, also eine Milliarde Umdrehungen pro Sekunde, zu erreichen. In
diesem Bereich arbeiten zum Beispiel W-Lan-Netze“, so Wintz weiter.
Um die Magnetscheiben mit hauchdünner metallischer
Zwischenschicht herzustellen, nutzte er die Elektronenstrahl-Lithografie am
HZDR. „Wir haben das seltene Metall Rhodium benutzt und schließlich die gewünschten
Eigenschaften erreicht, indem wir die Dicke und Rauigkeit der Schichten
verändert haben“. Die Magnetwirbel kamen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz
(SLS) des Schweizerischen Paul Scherrer Instituts zum Vorschein.
Synchrotronlicht ist eine besonders intensive Form von
Licht, das in seinen Eigenschaften genau an die Bedürfnisse eines Experiments
angepasst werden kann. Die Arbeitsgruppe von Jörg Raabe betreibt an der SLS ein
Raster-Transmissions-Röntgen-Mikroskop, es kann Magnetisierungsrichtungen mit
einer Auflösung von 20 Nanometern direkt abbilden und die Signale zweier
verschiedener magnetischer Schichten voneinander trennen. Mit der gleichen
Methode wollen die Forscher als nächstes das Verhalten der Magnetscheiben-Paare
als hochfrequente Wirbelantennen untersuchen.
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Publikation:
S. Wintz, C. Bunce, A. Neudert, M. Körner, T. Strache, M.
Buhl, A. Erbe, S. Gemming, J. Raabe, C. Quitmann, J. Fassbender, „Topology and
origin of effective spin meron pairs in ferromagnetic multilayer elements“, Phys.
Rev. Lett. 110 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.177201
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Bildunterschrift:
Zwischen zwei magnetischen Schichten bilden sich um eine
nichtmagnetische Zwischenschicht herum statische dreidimensionale Magnetwirbel.
Sie stabilisieren die Magnetisierungsrichtung im Wirbelkern in der Mitte – eine
Voraussetzung für stabile Wirbelantennen für die drahtlose Datenübertragung.
Bild: HZDR/Sander Münster 3DKosmos
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Weitere Informationen:
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Sebastian Wintz | Prof. Dr. Jürgen Faßbender, Institutsdirektor Tel. +49 351
260 2919 | Tel. +49 351 260 2919 s.wintz@hzdr.de
| j.fassbender@hzdr.de
Paul Scherrer Institut
Synchrotron Radiation and Nanotechnology Dr. Jörg Raabe
Tel. +41 56310 5193 joerg.raabe@psi.ch
Medienkontakt:
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Paul Scherrer Institut
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Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht
auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen
hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher
und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert,
charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem
Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden
fünf Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die
auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der
Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es
hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt
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