Verdrehte Nanomagnete eröffnen einen neuen Weg zur Steuerung des Resonanzmodus
 

To the point: 

• Verdrehte magnetische Nanodrähte: Forscher am Max-Planck-Institut für chemische Festkörperphysik untersuchten in Doppelspiralgeometrien – ähnlich wie bei der DNA – angeordnete, miteinander verflochtene magnetische Nanodrähte und zeigten, dass diese eine Magnetisierungsdynamik aufweisen können.
• Direkte Beobachtung der Dynamik: Mithilfe modernster Röntgenmikroskopie konnten sie das Resonanzverhalten stark gekoppelter magnetischer Domänenwände innerhalb dieser komplexen Strukturen direkt sichtbar machen.
• Experimentelle Herausforderung gemeistert: Die Untersuchung der Dynamik in echten 3D-Nanostrukturen war lange Zeit eine Herausforderung, wobei sich die meisten früheren Studien auf einfachere oder größere Systeme beschränkten. Diese Arbeit ermöglicht die direkte Beobachtung im Nanobereich.
• Wichtige Ergebnisse: Die Nanodrähte zeigen eine Resonanzdynamik mit mehreren Schwingungsmoden. Simulationen zeigen zudem, dass diese Moden durch geometrische Gestaltung – und nicht durch herkömmliche Steuerung mittels externer Felder oder Spannungen – abgestimmt werden können, was die Geometrie als leistungsstarken neuen Parameter für funktionelle magnetische Bauelemente hervorhebt.

Zwei verdrillte Drähte, die miteinander wechselwirken, ist mit eine der einfachsten chiralen Anordnungen, die es in der Natur gebt. Diese „Doppelhelix“-Geometrie ist in unserer Welt allgegenwärtig, von den kleinsten Längenskalen – unserer eigenen DNA – bis hin zu Pflanzen, die sich in der Natur umeinanderwinden.

Doch nicht nur in der Natur spielt eine solche Geometrie eine Rolle: Chiralität und starke Kopplung zwischen den Drähten sind auch für die Welt des Magnetismus von besonderer Bedeutung. Dort können diese Effekte zu neuen Strukturen in der magnetischen Ordnung sowie zu interessanten dynamischen Effekten führen. In Doppelhelix-Nanostrukturen, die mehr als tausendmal kleiner sind als ein menschliches Haar, wurden tatsächlich bereits stark gekoppelte magnetische Objekte, sogenannte Domänenwände, beobachtet. Wie sich diese magnetischen Objekte in den Helixen bewegen, wurde jedoch (bislang) noch nie beobachtet.

Einem Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe ist es nun gelungen, das dynamische Verhalten dieser Domänenwände in nanoskaligen Doppelhelixen mithilfe modernster Röntgenmikroskopie am Synchrotron BESSY II in Berlin direkt abzubilden. In der kürzlich in „Advanced Materials” veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher, dass sich diese nanoskaligen magnetischen Strukturen auf höchst kontrollierbare Weise bewegen, miteinander interagieren und oszillieren.

Eine der größten Herausforderungen bestand darin, diese Dynamik in dreidimensionalen Nanostrukturen tatsächlich zu messen. Zwar besteht seit einigen Jahren ein wachsendes Interesse an der Dynamik von 3D-Magnetnanostrukturen, doch sind experimentelle Untersuchungen nach wie vor selten und beschränken sich auf größere  3D-Mikrostrukturen oder kleinere, quasi-2,5D-Materialien wie Vulkane oder flache Nanodrähte.  

Besonders bemerkenswert ist dabei nicht nur die Tatsache, dass diese Doppelhelixen gemessen werden konnten. Den Forschern gelang es auch, das Schwingungsverhalten zweier Domänenwände in den beiden Helixen zu identifizieren. Diese ziehen sich über Magnetfelder gegenseitig an. Werden sie „auseinandergezogen“, springen sie aufgrund ihrer starken Wechselwirkung wieder zusammen und schwingen schließlich umeinander wie ein gekoppelter Oszillator. Dieses Verhalten ist mit dem von zwei durch Oberflächenspannung verbundenen Flüssigkeitstropfen vergleichbar: Werden sie auseinandergerissen, treibt die Rückstellkraft sie wieder zusammen, was zu einer Schwingungsbewegung um ihren Gleichgewichtsabstand führt.

Dieses Schwingungsverhalten weist eine sogenannte Resonanz auf, das heißt eine bestimmte Frequenz, bei der die Dynamik verstärkt wird. Diese Resonanz liegt im GHz-Bereich. Bemerkenswerterweise stellten die Forscher in Simulationen fest, dass sich diese Resonanzfrequenz ändert, wenn die Geometrie der Helixen leicht modifiziert wird. Zum Beispiel durch leichte Straffung oder Lockerung der DNA-ähnlichen Struktur. Bislang waren solche Änderungen der Resonanzfrequenz nur durch die Anwendung elektrischer oder magnetischer Felder möglich. Die Aussicht auf geometriegesteuerte magnetische Resonanzen eröffnet hier neue Möglichkeiten für technologische Anwendungen, die geometrische Veränderungen in ein magnetisches System einbeziehen. Eine dynamische Steuerung könnte beispielsweise durch Dehnung erreicht werden, indem die Struktur mechanisch wie eine Feder gedehnt oder zusammengedrückt wird. In Zukunft könnten solche Ansätze die Grundlage für vollständig dreidimensionale neuromorphe Rechentechnologien bilden, die auf dieser Art von magnetischen Phänomenen basieren und in der Lage sind, die adaptive und dynamische Natur des menschlichen Gehirns nachzuahmen.