19 apr. 2016
2 minuten
Onderzoekers van de EPFL in Lausanne en de ETH Zurich hebben een magneet van één atoom gebouwd die de meest stabiele in zijn soort is tot nu toe. Deze doorbraak effent het pad voor de schaalbare productie van miniatuur magnetische opslagproducten.
Magnetische opslag, zoals in harde schijven en geheugenkaarten is momenteel wijd verbreid. Maar omdat computertechnologie steeds kleiner wordt is er ook behoefte om de dataopslag te miniaturiseren. Die behoefte wordt belichaamd door een poging om magneten te bouwen ter grootte van een enkel atoom. Maar het is moeilijk om zo’n kleine magneet gemagnetiseerd te houden, wat betekent dat hij niet in staat zou zijn om informatie gedurende een zinvolle tijdsduur vast te houden.
In een baanbrekend onderzoek, gepubliceerd in Science, hebben wetenschappers nu een ‘single-atom’ magneet gemaakt, die – hoewel hij werkt op ongeveer 40 Kelvin (-233,15 °C) – momenteel als kleinst en stabielst geldt.
Magneten werken dank zij de elektronenspin: elektronen kunnen hoog en laag spinnen (ongeveer zoals met de klok mee of tegen de klok in) en daardoor ontstaat een minuscuul magnetisch veld. In een atoom komen de elektronen meestal in paren voor met tegengestelde spin, zodat ze elkaars magnetische veld opheffen. Maar in een magneet hebben de atomen niet-gepaarde elektronen en hun gezamenlijke spins creëren een magnetisch veld.
Het is nu de uitdaging om steeds kleinere magneten te bouwen, die kunnen worden toegepast in data-opslag producten. Het probleem is de ‘magnetische remanentie’ oftewel de mate waarin het magnetisme wordt vastgehouden. Remanentie van een enkel atoom is heel moeilijk waar te nemen omdat omgevingsfluctaties het magnetische veld kunnen omkeren. En voor de technische toepassing: een beperkte remanentie betekent ook een beperkte informatieopslag voor atoomgrote magneten.
Een team wetenschappers onder leiding van Harald Brune bij EPFL en Pietro Gambardella bij ETH Zurich, heeft een prototype gebouwd van een één-atoom magneet op basis van het zeldzame-aarde element holmium. Zij plaatsten losse holmium-atomen op ultradunne films van magnesiumoxide, die vooraf waren gegroeid op een zilver oppervlak. Deze methode maakt de vorming mogelijk van één-atoom magneten met een robuuste remanentie. De reden daarvoor is dat de elektronenstructuur van holmium-atomen het magnetisch veld beschermt tegen omklappen.
De magnetische remanentie van de holmium-atomen is stabiel bij temperaturen rond 40 Kelvin (-233,15 °C). Howel dat nog ver van kamertemperatuur is verwijderd, is het de hoogste temperatuur waarbij het ooit is gelukt. De onderzoekers tonen met berekeningen aan dat de remanentie van losse holmium-atomen bij deze temperatuur veel hoger is dan de remanentie in eerdere magneten, die bovendien bestonden uit 3 tot 12 atomen. De nieuwe magneet is dus zowel qua grootte als stabiliteit wereldrecordhouder.
Donati F, Rusponi S, Stepanow S, Wäckerlin C, Singha A, Persichetti L, Baltic R, Diller K, Patthey F, Fernandes E, Dreiser J, Šljivančanin Ž, Kummer K, Nistor C, Gambardella P, Brune H. Magnetic remanence in single atoms, Science 14 April 2016. DOI: 10.1126/science.aad9898