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. Von 2005 bis 2016 arbeitete er am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), zunächst als Flugdirektor für das europäische Columbus‐Modul der ISS, dann als Gruppenleiter für die geostationären Satellitenprojekte des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums. Nach einem kurzen Intermezzo bei BMW arbeitet er seit 2018 als Experte für Funktionale Sicherheit in dem gleichen Unternehmen wie sein Preisträger-Kollege.

Magnetische Datenspeicher können zahllose mikroskopisch kleine Magnetpartikel enthalten. Die permanente Magnetisierung eines solchen Teilchens kann in zwei entgegengesetzte Richtungen zeigen und somit ein Bit Information 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 einzelnen magnetischen Nanopartikeln aussehen, konnten Dr. Martin Heumann und Dr. Thomas Uhlig aus der Arbeitsgruppe von Prof. Josef Zweck in Regensburg mit einem modifizierten Transmissionselektronenmikroskop 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 kreisscheibenförmigen 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 speziell umgerüsteten 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, das sogenannte Elektronenhologramm.

Ein solches Hologramm enthält die Information über die Phasenverschiebungen in der Elektronenwelle. Diese werden durch die Lorentzkraft verursacht, die diejenige Welle erfährt, die beim Durchdringen der Probe mit der Magnetisierung des Teilchens wechselwirkt. Aus den Hologrammen ist es daher möglich, die Magnetisierung zu berechnen und die Hystereseschleife eines Ummagnetisierungsvorgangs zu bestimmen.

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 ein äußeres Magnetfeld an die Teilchen anlegten. Erreichte das Magnetfeld die Schaltfeldstärke, so drehte sich die Richtung der Magnetisierung um, wie die Forscher aus den Mikroskopaufnahmen 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 geringfügig voneinander abweichende Formen einen großen Einfluss auf das magnetische Verhalten der Teilchen 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