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News: Elektronen sorgen für den Dreh

Wandern Elektronen durch einen Magneten, so dreht dieser ein wenig am Spin der Ladungsträger und richtet ihn aus. Umgekehrt wirken aber auch die Elektronen auf den Magneten und möchten die Magnetisierung ändern. Schweizer Forscher ließen nun gezielt die Magnetisierung eines nanometergroßen Stabmagneten - eines magnetisches Bits - mit Hilfe polarisierter Elektronen umklappen.
Elektronen besitzen ein magnetisches Moment. Das ist im Prinzip ein winzig kleiner Elementarmagnet, der in Richtungen ihres Spins zeigt. Passieren sie einen Magneten, so zerrt sein Feld an ihren Momenten und möchte diese in eine passendere Lage drehen. Also bewegt sich der Spin sukzessive in die vorgegebenen Richtung, wie sich eine Kompassnadel entlang des Erdmagnetfelds ausrichtet. Nun treten in der Natur Kräfte immer paarweise auf und so verwundert es nicht, dass sich das Elektron zu wehren weiß: Es übt seinerseits ebenfalls ein Drehmoment auf die Magnetisierung aus und versucht, sie zu wenden, damit sich der Drehimpuls – eine Erhaltungsgröße – nicht ändert.

Nun ist der Effekt einzelner Elektronen auf die Magnetisierung recht gering, nichtsdestotrotz ließ er sich aber bereits nachweisen. Wolfgang Weber und seine Kollegen von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich wollten dem Phänomen weiter auf den Grund gehen und den mikromagnetischen Mechanismus näher verstehen. Dazu injizierten die Forscher aus einer Galliumarsenid-Photokathode polarisierte Elektronen in eine einige Nanometer dicke Schicht eines Ferromagneten. Dabei waren die Spins der Elektronen gerade so ausgerichtet, dass sie senkrecht zum Magnetfeld der Schicht standen. Auf der anderen Seite des Magneten überprüften die Wissenschaftler die Elektronen auf ihre Polarisierung, um so Rückschlüsse auf die Magnetisierung der Probe zu erhalten. Die Forscher entdeckten, dass ultrakurze Elektronenpulse – zwischen einer Zehntel und einer Nanosekunde – das Material ummagnetisierten. Das war offenbar deshalb möglich, da dieser Effekt des so genannten spin-transfers sehr hohe magnetische Flussdichten bis zu einem Tesla hervorruft – weit mehr als nötig ist, um die Magnetisierung des Magneten umklappen zu lassen (Science vom 9. Februar 2001).

Weiterhin fand Webers Team heraus, dass das durch den Elektronenpuls verursachte Magnetfeld nur einen sehr kleinen Bereich umfasst – gerade mal ein paar Atomlagen. Das macht den Effekt insbesondere für miniaturisierte Bauteile interessant. Bis jetzt hat man in erster Linie magnetische Felder genutzt, die langsam mit der Entfernung schwächer werden. Das erschwert es ungemein, einzelne winzige Bereiche in einem magnetischen Medium umklappen zu lassen, ohne Nachbarbereiche zu stören. Insbesondere für Aufzeichnungsverfahren, die sehr schnell arbeiten sollen, bietet sich die Spin-Injektion an. Denn dabei muss der Puls sowieso in sehr kurzer Zeit durch das Material fahren, da ansonsten der Magnet genug Zeit hätte, auf den äußeren Zwang zu reagieren und ihn einfach blockieren würde.

Noch haben Weber und seine Kollegen einen freien Elektronenstrahl benutzt, in weiteren Experimenten möchten die Wissenschaftler das Experiment kompakter gestalten: "Unser nächstes Ziel ist es, die Spin-polarisierende Elektronenquelle, die ferromagnetische Schicht und den Spin-Analysator in einer Lagenstruktur unterzubringen."

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