Ein Thermometer für die Nanowelt, bestehend aus 80 Atomen

03.11.2011: Wir kennen es aus alltäglichen Anwendungen wie z.B. dem Tauchsieder: Fließen Elektronen durch einen Draht, so erwärmt sich dieser.

Wie die Zeitschrift Physical Review Letters berichtet, ist es Forschern vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg nun gelungen, diese Entstehung von Wärme auf atomarer Skala zu untersuchen. Hierfür beobachteten die Wissenschaftler um Prof. Roland Wiesendanger das thermische Hin- und Herschalten eines aus lediglich 80 Eisenatomen bestehenden Nanomagneten und verwendeten ihn so als Thermometer. Dabei nutzten sie das Prinzip des Tunnelns: Positioniert man eine magnetische Nadelspitze sehr nah über dem Magneten und legt eine elektrische Spannung an, so fließt ein sogenannter Tunnelstrom. Je näher sich dabei die Nadel über dem Magneten befindet, desto größer ist der fließende Strom. Es zeigte sich, dass analog zum Tauchsieder der Tunnelstrom zu einer Erwärmung des Magneten führt. Mit einem sogenannten spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop im Ultrahochvakuum untersuchten die Forscher die Schaltfrequenz des Nanomagneten bei verschiedenen Stromstärken. Aus der jeweils gemessenen Frequenz gelang es, direkt die entsprechende Temperatur des Magneten zu bestimmen. Dabei zeigte sich, dass bereits ein Strom von einem Mikroampere ausreicht, um den Magneten um 1° C zu erwärmen, während seine unmittelbare Umgebung vom Strom unbeeinflusst blieb. Zusätzlich fanden die Forscher heraus, dass der Tunnelstrom den Nanomagneten in eine Vorzugsrichtung zwingt: Er schaltet nicht mehr gleichmäßig zwischen zwei Orientierungen hin und her, sondern bevorzugt eine Orientierung, die der Magnetisierungsrichtung der Nadel entspricht. Die Experimente ergaben, dass dieses Spinstromschalten mit einem Rastertunnelmikroskop um Größenordnungen effektiver ist als mit Techniken, bei denen der zu schaltende Magnet in ein Schichtsystem eingebettet ist.

Die Experimente erlauben den Forschern einen detaillierten Einblick in die elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Materie auf atomarer Skala. Mögliche zukünftige Anwendungen dieser Technik sind z.B. kleinste thermisch schaltende Nanomagnete, die als Sensoren oder Manipulatoren in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden, um hoch präzise lokale Temperaturen zu messen.