Eine Schaltung für atomare Bits

06.11.2009: Feiner geht es nicht: Valeri Stepanyuk vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und seine Kollegen können die Magnetisierung einzelner Atome manipulieren. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops schalten sie einzelne Atome von "Spin up" auf "Spin down" um - einfach indem sie den Abstand der Spitze zum Atom ändern. Das magnetische Moment des Spins wirkt wie ein winziger Stabmagnet. Je nachdem, in welche Richtung sein Nordpol weist, kann der Stabmagnet und somit das Atom die "0" oder "1" eines Bits speichern. Heutige Computer, deren Bits Zehntausende von Atomen groß sind, können so wesentlich weiterentwickelt werden.

Kleiner, schneller, mit geringerem Energieverbrauch: Wenn zur Informationsverarbeitung, zum Beispiel auf Computer-Festplatten, nicht die elektrische Ladung sondern der Drehimpuls ("Spin") der Elektronen genutzt wird, sind die Vorteile vielversprechend. Die Arbeit von Valeri Stepanyuk vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und seinen Kollegen aus Deutschland, Irland und Frankreich könnten jetzt dazu beitragen, die sogenannte Spintronik erheblich voranzubringen.

Die Wissenschaftler untersuchten ein System aus einzelnen magnetischen Metallatomen, die an einer Kupferoberfläche adsorbiert waren ("Adatome"), und denen sie sich mit der ebenfalls magnetischen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) näherten. Sie benutzten etablierte Rechenverfahren und führten sogenannte ab-initio-Berechnungen aus, also Simulationen, die an keine Messwerte angepasst wurden, sondern in denen sie lediglich Naturkonstanten verwendeten. Auf diese Weise haben sie gezeigt, dass sie durch einfaches Verändern des Abstandes zwischen den Adatomen und der RTM-Spitze einzelne Elektronenspins beeinflussen können.

Entscheidend ist dabei die sogenannte Austauschwechselwirkung. Sie ist ein rein quantenmechanischer Effekt, der beschreibt, wie sich die Spins von RTM-Spitze und Adatom gegenseitig beeinflussen. Wie stark die Austauschwechselwirkung ist und wie sie sich im Detail auswirkt, hängt dabei vom Abstand zwischen RTM-Spitze und Adatom ab. Kommen sich beide sehr nahe, so bewirkt die Austauschwechselwirkung, dass sich die Spins der Adatome entgegengesetzt zum magnetischen Moment der RTM-Spitze ausrichten - in etwa so wie sich zwei Stabmagnete auch nur mit ihren entgegengesetzten Polen, also Nord- und Südpol, nahe zueinander bringen lassen. Ist der Abstand zwischen RTM-Spitze und Adatom hingegen etwas größer, so ist die Austauschwechselwirkung verantwortlich dafür, dass die Adatome dem Herdentrieb folgen: Ihre Spins stellen sich dann parallel zum magnetischen Moment der RTM-Spitze ein.

Der genaue Abstand, bei dem die Austauschwechselwirkung zwischen dem Spin eines Adatoms und der RTM-Spitze von der entgegengesetzten in die parallele Orientierung umschlägt, hängt davon ab, welches Material für die RTM-Spitze und für die Adatome gewählt wird. Die Wissenschaftler haben für die vorliegenden Simulationen eine RTM-Spitze aus Chrom gewählt; bei den Adatomen handelte es sich wahlweise um Chrom, Mangan, Eisen und Kobalt. Die Berechnungen sind allerdings ohne Probleme an andere Materialsysteme anzupassen. Ebenso nahe liegend ist die experimentelle Realisierung, für die bereits eine Kooperation mit Experimentalphysikern geplant ist.

Originalveröffentlichung: Kun Tao, V.S. Stepanyuk, W. Hergert, I. Rungger, S. Sanvito, and P. Bruno; "Switching a single spin on metal surfaces by STM tip: ab initio studies"; Physical Review Letters 103, 057202 (2009)