12.06.2007 · Wissenschaftler der Universität Hamburg und vom Forschungsinstitut Jülich untersuchten eine dünne magnetische Schicht aus Mangan-Atomen mit einem Rastertunnelmikroskop. Ergebnis ihrer Foschung: Chirale Strukturen lassen sich auch auf atomarer Ebene beobachten.
Von Anne Hardy
© Universität Hamburg
Bild und Spiegelbild (unten) der magnetischen Momente im Modell
Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten, haben oft recht verschiedene Eigenschaften. Während beispielsweise das R-Limonen intensiv nach Orange riecht, verbreitet das S-Limonen einen Zitronenduft. Zwar bestehen die beiden Substanzen aus den gleichen Atomen. Diese sind aber räumlich so angeordnet, dass die eine molekulare Form durch eine einfache Drehung nicht in die andere überführt werden kann.
Dieses Phänomen der Händigkeit oder Chiralität kommt überall in der Natur vor – vom Schneckenhaus über den Wirbelwind bis hin zur Spiralgalaxie. In einigen Fällen existiert jedoch nur eine von den zwei möglichen Varianten, wie es beispielsweise bei den natürlich vorkommenden Aminosäuren der Fall ist oder beim radioaktiven Betazerfall, bei dem Neutrinos mit nur einem bestimmten Drehsinn entstehen. Einen ähnlichen chiralen Effekt haben nun Physiker von der Universität Hamburg und vom Forschungszentrum Jülich in dünnen magnetischen Schichten beobachtet.
Dünne magnetische Schicht
Die Forscher um Roland Wiesendanger und Stefan Blügel untersuchten eine dünne magnetische Schicht aus Mangan-Atomen, die eine Wolframoberfläche bedeckte, mit einem hochauflösenden Rastertunnelmikroskop. Dessen Abtastnadel war mit einer magnetischen Spitze ausgestattet. Bei einem solchen Spezialmikroskop hängt der Strom der aus der Spitze in die Probe tunnelnden Elektronen empfindlich von der Orientierung der magnetischen Momente der Atome auf der Oberfläche ab. Als die Forscher die Spitze in geringem Abstand über die Mangan-Oberfläche führten, erschienen je nach Ausrichtung der magnetischen Momente die Atomreihen als helle oder dunkle Streifen.
Das Streifenmuster entpuppte sich bei genauer Analyse als eine besondere Form antiferromagnetischer Ordnung: Die magnetische Momente benachbarter Atome waren nicht, wie für Antiferromagnetismus üblich, exakt antiparallel zueinander ausgerichtet, sondern leicht zueinander verdreht. Entlang einer Atomreihe erinnerten die magnetischen Momente an eine sich überschlagende Welle, die in ihrer Bewegung erstarrt war. Wie die Forscher um Wiesendanger und Blügel in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 447, S. 190) berichten, bilden die magnetischen Momente der Manganatome immer nur ein spiralförmiges, linksdrehendes Muster. Die spiegelbildliche rechtsdrehende Variante konnten sie bei ihren Versuchen nicht beobachten.
40 Jahre alte Vorhersage
Zur Erklärung des Phänomens erinnerten sich die Physiker an eine Arbeit des der russischen Physikers Igor Dzyaloshinskii. Dieser hatte vor 40 Jahren vorhergesagt, dass die magnetischen Momente von Festkörper-Atomen spiralförmige Muster bilden, wenn die Spins und die sogenannten Bahndrehimpulse – ihrer Elektronen nur stark genug miteinander gekoppelt sind. Lange Zeit hatte man diese Vorhersage mit Skepsis betrachtet, denn ein solches Verhalten, so glaubte man, würde die geordnete periodische Struktur des Kristallgitters zerstören.
Erst 1980 fand man das von Dzyaloshinskii vorhergesagte Phänomen in Mangan-Silizid, einem eher exotischen Material. Die jetzt entdeckte Struktur an einer Mangan-Oberfläche ist mit einem Magnetfeld dagegen viel einfacher zu erzeugen.
Supercomputer helfen
Mit Hilfe leistungsfähiger Supercomputer am John von Neumann-Institut für Computing in Jülich konnten die Physiker um Stefan Blügel das komplizierte Geflecht der Wechselwirkungen sowohl zwischen den Mangan-Atomen untereinander als auch mit den Wolfram-Atomen des Substrats berechnen. Dabei stellten sie fest, dass innerhalb der nur eine Atomlage dünnen Manganschicht die magnetische Wechselwirkung beachtlich hoch ist. Diese wird zudem durch die darunter liegenden Wolfram-Atome verstärkt.
Die Entdeckung der Hamburger und Jülicher ist nicht nur deshalb interessant, weil es ein bereits bekanntes Prinzip in einem neuen Zusammenhang bestätigt. Er verspricht auch viele nützliche Anwendungen etwa in der Spintronik, wo magnetische Momente zur Speicherung und Verarbeitung von Daten nutzt. So könnte man mit Hilfe eines polarisierten Elektronenstrahls die chiralen Magnetstrukturen in Bewegung versetzten.
