Forschungszentrum Jülich Spektraler Fingerabdruck von magnetischen Monopolen entdeckt

Monopol-Antimonopol-Struktur (orange) in einem künstlichen Spin-Eis-Gitter aus magnetischen Bausteinen (blau)
Monopol-Antimonopol-Struktur (orange) in einem künstlichen Spin-Eis-Gitter aus magnetischen Bausteinen (blau)

Ein internationales Forscherteam schlägt eine neue Möglichkeit vor, um exotische Materialeigenschaften in bestimmten nanostrukturierten Magneten experimentell zu finden und zu analysieren. Am Ende sollen sich so neuartige Logikelemente für die Datenverarbeitung entwickeln lassen.

Das Forscherteam, an dem auch das Peter-Grünberg-Institut des Forschungszentrums Jülich beteiligt war, erwartet, dass sich mit der neuen Methode Eigenschaften in sogenannten künstlichen Spin-Eis-Materialien leichter aufspüren lassen, mit deren Hilfe einmal neuartige Logikelemente für die Datenverarbeitung entwickelt werden könnten.

Spin-Eis-Materialien besitzen außergewöhnliche Eigenschaften. Unter anderem können sich darin magnetische Monopole und Antimonopole bilden, die paarweise über Ketten magnetischer Bausteine miteinander im Kontakt stehen. Die Physiker zeigten nun mithilfe von  Computersimulationen, dass sich solche magnetischen Strukturen in künstlichem Spin-Eis anhand charakteristischer Schwingungen im Mikrowellenbereich identifizieren lassen.  Wie ein Fingerabdruck geben die Schwingungen Auskunft über das Auftreten  von Monopolen und über ihre Häufigkeit in der untersuchten Probe.  Erzeugen lassen sich die Schwingungen, indem man die Proben anregt, etwa durch einen Magnetfeldpuls oder einen Laserpuls.

Weil sich die Monopol-Strukturen in künstlichem Spin-Eis platzieren und bewegen lassen, schlagen die Forscher vor, sie für die Konzeption neuartiger Logikelemente zu nutzen, in denen anstelle von Ladung magnetische Schwingungswellen fließen sollen. In den Logikelementen würden die Strukturen ähnlich wie ein Wellenbrecher wirken und  die Ausbreitung der Wellen steuern. Künstliche Spin-Eis-Materialien lassen sich durch geschicktes Arrangement winziger magnetischer Bereiche, die jeweils als ein magnetischer Baustein fungieren, gezielt entwerfen, zum Beispiel per Lithografie.

Originalveröffentlichung:
Spectral Analysis of Topological Defects in an Artificial Spin-Ice Lattice;
Sebastian Gliga, Attila Kákay, Riccardo Hertel, Olle G. Heinonen;
PRL 110, 117205 (2013), DOI: 10.1103/PhysRevLett.10.117205[AW1]