Zentrale IT-Ausstattung für die Landesexzellenzinitiative NANO-SPINTRONICS - Server und Datenspeicher
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Fokus unseres Landes-Exzellenzclusters, der von Forschungsgruppen der Departments Physik, Chemie, Informatik und Mathematik der Universität und den beiden Helmholtz-Zentren DESY und GKSS getragen wurde, lag auf der Grundlagenforschung in den drei Bereichen der Metall-, Halbleiter- und Molekül-/Atom-basierten Spintronik, wobei das visionäre Ziel verfolgt und erreicht wurde, nanoskalige Spintronik-Bauelemente auf der Basis eines detaillierten Verständnisses der zugrunde liegenden atomistischen spinabhängigen Wechselwirkungen und Prozesse zu entwickeln. In der Spintronik werden gleichzeitig die elektrische Ladung des Elektrons und sein Spin zur Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Daten eingesetzt, um die Rechen- und Speicherkapazitäten über die absehbaren Grenzen der gegenwärtigen CMOS-Technologie hinaus zu erweitern. In wenigen Fällen konnten Bauelemente der Spintronik sogar unter ausschließlicher Nutzung des Spinfreiheitsgrades demonstriert werden. Während Metall-basierte magnetische Materialien eine hohe Spinpolarisation aufweisen, kann der Spin in Halbleitern leicht manipuliert werden. Die Grenzen der Miniaturisierung werden durch Bauelemente erreicht, die nur noch ein einzelnes Molekül oder ein einziges Atom als aktives Element nutzen. Es stellt eine hohe Herausforderung dar, solche nanoskaligen und molekularen Systeme wohl definiert zu präparieren, auf atomarer Skala bezüglich (statischer) struktureller und dynamischer Eigenschaften zu charakterisieren sowie als Basisbausteine für die zukünftige Informations- und Kommunikationstechnologie nutzbar zu machen. In Abgrenzung zur Vielzahl der weltweit existierenden Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Spintronik konzentrierte sich unser Landesexzellenzcluster auf extrem kleine Systeme und deren Eigenschaften, wobei der Größenbereich vom Einzelatom/-molekül bis zur Nanostruktur (mit lateralen Dimensionen von ca. 100 nm) reichte. Diese Größenskala kann nach wie vor nur durch wenige Forschungslabore weltweit abgedeckt werden, da die Verfügbarkeit von Strukturierungstechniken im Bereich von 1-100 nm sowie der magnetischen Charakterisierung auf der Skala 0.1-10 nm sehr stark eingeschränkt ist. In unserem Landesexzellenzcluster waren jedoch alle infrastrukturellen Voraus-setzungen erfüllt, um den noch wenig erforschten Größenbereich von 0.1 nm - 100 nm hinsichtlich seiner spinabhängigen Phänomene zu untersuchen. Unsere Stärke lag in der Kombination der vorhandenen hoch auflösenden Präparations-, Strukturierungs-, und Analysetechniken und der Expertise der Wissenschaftler/-innen, die viele der experimentellen und theoretischen Methoden selbst entwickelt haben. Dabei wurden fortlaufend neue experimentelle und theoretische Methoden in den Landesexzellenzcluster eingebracht, wie beispielsweise die hoch auflösende Charakterisierung magnetischer Nanostrukturen mittels Einzelatom-Magnetometrie, magnetischer Austauschkraftmikroskopie und spinauflösender inelastischer Rastertunnelspektroskopie sowie die zeitlich hoch auflösende magnetische Röntgen-Mikroskopie. Durch die Zusammenführung der weltweit einmaligen Forschungsinfrastruktur im Bereich höchstauflösender Mikroskopie- und Spektroskopie-Methoden am Hamburger Zentrum für Mikrostrukturforschung, am Interdisziplinären Nanowissenschafts-Centrum Hamburg, am HASYLAB (DESY) sowie bei der GKSS, unterstützt durch moderne Methoden der theoretischen Physik, der mathematischen Modellierung sowie der Simulation, hat unser LEXI-Cluster entscheidend zur vordersten Front dieser Forschung in den vergangenen Jahren beigetragen. Als Vision unserer gemeinsamen Forschungsanstrengungen strebten wir nicht nur die vollständige Charakterisierung auf atomarer Längenskala und ultrakurzer Zeitskala sowie das theoretische Verständnis der statischen Eigenschaften und der dynamischen Prozesse nanoskaliger magnetischer Systeme an, sondern die gezielte Kontrolle ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens bis zur atomaren Skala bzw. bis zum einzelnen Spin. Diese gezielte Kontrolle auf atomaren Längen- und Zeitskalen wurde konkret durch die Demonstration von Prototypen für nanoskalige Modellmagnete mit maßgeschneiderten Eigenschaften sowie spinbasierten Logik- und Speicherelementen, aufgebaut aus atomaren Bausteinen und unter Ausnutzung spinabhängiger Wechselwirkungen, vermittelt über das Substrat, aufgezeigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Coupled vortex oscillations in spatially separated permalloy squares. Physical Review Letters, Vol. 106.2011, Issue 13, 135301.
A. Vogel, T. Kamionka, M. Martens, A. Drews, K. W. Chou, T. Tyliszczak, H. Stoll, B. Van Waeyenberge, G. Meier
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.137201) - Indirect control of antiferromagnetic domain walls with spin currents. Physical Review Letters, Vol. 106. 2011, Issue 6, 067204.
R. Wieser, E. Y. Vedmedenko, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.067204) - Itinerant nature of atom-magnetization excitation by tunneling
electrons. Physical Review Letters, Vol. 106. 2011, Issue 3,
A. A. Khajetoorians, S. Lounis, B. Chilian, A. T. Costa, L. Zhou, D. L. Mills, J. Wiebe, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.037205) - Orbital Kondo Effect in Cobalt-Benzene Sandwich Molecules.
Physical Review Letters, Vol. 107. 2011, Issue 14, 146604.
M. Karolak, D. Jacob, A. I. Lichtenstein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.146604) - Realizing all-spin based logic operations atom by atom. Science, Vol. 332. 2011, Issue 6033, pp. 1062-1064.
A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1126/science.1201725) - Atom-by-atom engineering and magnetometry of tailored nanomagnets.
Nature Physics, vol. 8. 2012, pp. 497–503.
A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, S. Lounis, S. Blügel, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1038/nphys2299) - Individual atomic-scale magnets interacting with spin-polarized field-emitted electrons. Physical Review Letters, Vol. 109. 2012, Issue 9, 097602.
A. Schlenhoff, A. Sonntag, S. Krause, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.097602) - Molecular Kondo chain. Nano Letters, Vol. 12. 2012, Issue 6, pp. 3174–3179.
A. DiLullo, S.-H. Chang, N. Baadji, K. Clark, J.-P.Klöckner, M.H. Prosenc, S. Sanvito, R. Wiesendanger, G. Hoffmann, S.-W. Hla
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1021/nl301149d) - Real-space observation of spin-split molecular orbitals of
adsorbed single-molecule magnets. Nature Communications, vol. 3. 2012, Article number: 953.
J. Schwöbel, Y. Fu, J. Brede, A. Dilullo, G. Hoffmann, S. Klyatskaya, M. Ruben, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1038/ncomms1953) - Current-driven spin dynamics of artificially constructed quantum magnets. Science, Vol. 339. 2013, Issue 6115, pp. 55-59.
A. A. Khajetoorians, B. Baxevanis, Ch. Hübner, T. Schlenk, S. Krause, T. Wehling, S. Lounis, A. Lichtenstein, D. Pfannkuche, J. Wiebe, R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1126/science.1228519)
