HELMHOLTZ-PREIS 2005 (Preisverleihung am 13.06.2005)
Dr. Martin Heumann und Dr. Thomas Uhlig für die Arbeit „Messung von Hysteresekurven einzelner magnetischer Teilchen im Nanometerbereich“

Preisträger 2005: Nanoteilchen beim Ummagnetisieren beobachtet

(v.l.n.r.) Dr. Martin Heumann, Prof. Dr. Bernhard Kramer, Prof. Dr. Ernst O. Göbel, Dr. Eckhard Franz, Dr. Thomas Uhlig, Prof. Dr. Josef Zweck, Ruprecht v. Siemens

Martin Heumann wurde 1974 in Vilshofen geboren. Er studierte Physik in Regensburg und promovierte dort 2005. Seither arbeitet er in einem Unternehmen der Messtechnik.

Thomas Uhlig, 1975 in Traunstein geboren, studierte ebenfalls Physik in Regensburg und promovierte dort 2004. Er ging 2005 zum Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen, wo er jetzt Flugdirektor für das europäische Columbus‐Modul der ISS ist und ein Trainingsteam leitet, das neue Flight Controller und Astronauten für die ISS ausbildet.

Magnetische Datenspeicher enthalten zahllose mikroskopisch kleine Magnetpartikel. Die permanente Magnetisierung eines solchen Teilchens kann in zwei entgegengesetzte Richtungen zeigen und somit ein Bit speichern. Mit einem hinreichend starken Magnetfeld lässt sich die Magnetisierungsrichtung umkehren, wobei eine Hysterese auftritt, wie man sie von makroskopischen Magneten kennt. Um eine immer größere Speicherdichte zu erzielen, macht man die Magnetpartikel immer kleiner, wodurch sich ihr Verhalten beim Ummagnetisieren verändern kann.

Wie die Hysteresekurven von magnetischen Nanopartikeln aussehen, konnten Dr. Martin Heumann und Dr. Thomas Uhlig aus der Arbeitsgruppe von Josef Zweck in Regensburg mit einem modifizierten Elektronenmikroskop aufklären. Für die aus ihren Dissertationen hervorgegangene Arbeit „Messung von Hysteresekurven einzelner magnetischer Teilchen im Nanometerbereich“ wurden sie mit dem Helmholtz-Preis 2005 ausgezeichnet.

Die beiden jungen Forscher führten ihre Untersuchungen an zylindrischen Nanomagneten aus Permalloy durch, die 6–8 nm dick waren und einen Durchmesser von 100 nm oder mehr hatten. Wie ein solches Nanoteilchen magnetisiert war, machten sie mit einem Elektronenhologramm sichtbar. Dazu brachten sie das Teilchen in den Elektronenstrahl eines umgebauten Elektronenmikroskops, sodass es von einer Elektronenwelle durchquert wurde, die anschließend mit einer Referenzwelle überlagert und zur Interferenz gebracht wurde. Dabei entstand ein Hell-Dunkel-Muster aus Bereichen hoher und niedriger Elektronenstrahlintensität.

Die Magnetisierung des Nanoteilchens übte eine Lorentz-Kraft auf die durchfliegenden Elektronen aus, sodass sich die Phase der Elektronenwelle änderte. Die Phasenänderung gab dem Interferenzmuster eine charakteristische Gestalt, aus der die Forscher die Magnetisierung ermittelten. Auf diese Weise konnten sie Abbildungen der magnetischen Konfigurationen eines Nanoteilchens mit einer bis dahin unerreicht hohen räumlichen Auflösung von unter 10 nm gewinnen. Sie untersuchten die Ummagnetisierung der Nanoteilchen, indem sie mit einer stromdurchflossenen Elektronenlinse ein Magnetfeld variabler Stärke erzeugten, das der Magnetisierung der Teilchen entgegenwirkte. Erreichte das Magnetfeld die „Schaltfeldstärke“, so drehte es die Richtung der Magnetisierung um, wie die Forscher aus der Änderung des Interferenzmusters ersahen. Dabei zeigte jedes Teilchen eine individuell verlaufende Hysteresekurve, die mehrere Magnetisierungsstufen aufweisen konnte.

Auch wenn zwei Nanomagnete in derselben Weise hergestellt worden waren, unterschieden sich ihre Hysteresekurven wie auch ihre Schaltfeldstärken dennoch deutlich voneinander. Das lag u. a. daran, dass die Nanoteilchen geringfügig voneinander abweichende Formen hatten. Darüber hinaus konnten Heumann und Uhlig an sehr kleinen Partikeln erstmals beobachten, wie eine einzige magnetische Domäne ummagnetisiert wurde. Das individuelle Verhalten der Nanomagnete muss man berücksichtigen, will man Magnetspeicher auf der Grundlage von Nanoteilchen herstellen.

Literatur

M. Heumann, T. Uhlig, and J. Zweck: True Single Domain and Configuration-Assisted Switching of Submicron Permalloy Dots Observed by Electron Holography. Phys. Rev. Lett. 94, (2005), 077202