Villigen
Magnetische Zukunft: Erfolg für Forschende am Paul-Scherrer-Institut

Spin-Eis könnte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuartiger Hochleistungsrechner spielen. Jetzt liegen Resultate vor.

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Laura Heyderman und Peter Derlet untersuchen magnetische Phasenübergänge in der Materie.

Laura Heyderman und Peter Derlet untersuchen magnetische Phasenübergänge in der Materie.

Markus Fischer/psi

Gefriert Wasser zu Eis, ordnen sich die Wassermoleküle mit ihren Wasserstoff- und Sauerstoffatomen in einer komplexen Struktur an. Im Labor lassen sich Kristalle herstellen, bei denen die elementaren magnetischen Momente, die sogenannten Spins, mit Eis vergleichbare Strukturen bilden.

Deshalb bezeichnen Forschende diese Strukturen auch als Spin-Eis. «Wir haben künstliches Spin-Eis hergestellt, das im Wesentlichen aus Nanomagneten besteht, die so klein sind, dass sich ihre Ausrichtung einzig aufgrund der Temperatur ändern kann», erklärt der Physiker Kevin Hofhuis, der soeben seine Doktorarbeit am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen abgeschlossen hat und nun an der Yale-Universität in den USA arbeitet.

Im verwendeten Material sind die Nanomagnete in sechseckigen Strukturen angeordnet – ein Muster, das man aus der japanischen Korbflechtkunst unter dem Namen «Kagome» kennt, heisst es in einer Mitteilung. «Bei künstlichem Kagome-Spin-Eis wurden magnetische Phasenübergänge theoretisch vorhergesagt, aber bisher nie beobachtet», sagt Laura Heyderman, Leiterin des Labors für Multiskalen-Materialien-Experimente am PSI und Professorin an der ETH Zürich.

Interessant für neuartige Datenverarbeitung

«Der Nachweis von Phasenübergängen gelang nun dank der Anwendung modernster Lithografie bei der Herstellung des Materials im PSI-Reinraum sowie einer speziellen Mikroskopie-Methode an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS.» Die Zeitschrift «Nature Physics» veröffentlicht jetzt die Resultate dieser Experimente.

Die neue Studie ist ein weiterer Erfolg in der Erforschung von künstlichem Spin-Eis, welches die Gruppe von Heyderman seit mehr als einem Jahrzehnt untersucht. «Das Grossartige an diesen Materialien ist, dass wir sie massschneidern und direkt sehen können, was in ihnen passiert», sagt die Physikerin. «Wir können alle möglichen faszinierenden Verhaltensweisen beobachten. Dies ist bei Spin-Systemen in herkömmlichen Kristallen nicht möglich.»

Obwohl diese Untersuchungen zurzeit noch reine Grundlagenforschung sind, denken die Forschenden bereits an mögliche Anwendungen. Die Kontrolle von verschiedenen magnetischen Phasen könnte für neuartige Arten der Datenverarbeitung interessant sein. Am PSI und anderswo wird untersucht, wie die Komplexität von künstlichem Spin-Eis für neuartige Hochgeschwindigkeitsrechner mit geringem Stromverbrauch genutzt werden könnte.

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