Hamburger Team entdeckt eindimensionale Diffusion auf antiferromagnetischer OberflächeMagnetismus steuert Atombewegung

2. Juni 2025, von Heiko Fuchs

Foto: UHH/MIN/Kubetzka

Schematische Darstellung des Versuchs: Das Adatom bewegt sich eindimensional auf der magnetischen Reihe, wenn ein kurzer lokaler Spannungspuls durch Spitze des Rastertunnelmikroskops erfolgt.

Forschende des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg haben experimentell nachgewiesen, dass auf einer magnetischen hexagonalen Mangan-Schicht bei einer Temperatur von vier Kelvin einzelne Atome nur in eine Richtung bewegt werden können – ein Verhalten, das eng mit den magnetischen Zuständen der Oberfläche verknüpft ist. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Die Diffusion auf Oberflächen ist ein fundamentaler Prozess, bei dem Atome oder Moleküle auf der Oberfläche eines Festkörpers wandern. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Halbleitern, Katalysatoren, dem Wachstum von Nanostrukturen sowie der molekularen Selbstorganisation. Die Bewegung von Atomen auf nichtmagnetischen Oberflächen wurde sowohl theoretisch als auch experimentell bereits eingehend untersucht. In solchen Fällen bewegen sich die Atome meistens zufällig. Die Symmetrie der Oberfläche beeinflusst dabei maßgeblich die Richtung der Wanderung. Bei magnetischen Oberflächen haben theoretische Modelle hingegen eine starke Wirkung des magnetischen Zustands auf die Atombewegung vorhergesagt – bisher jedoch ohne entsprechende experimentelle Bestätigung.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg haben nun nachgewiesen, wie sich einzelne Atome auf einer magnetischen Oberfläche bewegen. Diese Oberfläche bestand aus einer monomolekularen Schicht Mangan, die auf das Substrat Rhenium (0001) aufgedampft wurde, wodurch sich ein hexagonales Kristallsystem und ein reihenweise antiferromagnetischer Zustand bildete, bei dem jede Reihe jeweils entgegengesetzte magnetische Momente zur Nachbarreihe aufweist.

Das Hamburger Team brachte einzelne Atome – Kobalt, Rhodium und Iridium – auf die Mangan-Oberfläche und analysierte ihr Verhalten mit einem Rastertunnelmikroskop bei einer Temperatur von vier Kelvin. Aufgrund der hexagonalen Oberfläche wäre eine zufällige Bewegung in sechs Richtungen zu erwarten gewesen. Die Forschenden stellten aber fest, dass sich die Atome nur in eine Richtung bewegen, wenn ein kurzer lokaler Spannungspuls von der Spitze des Rastertunnelmikroskops erfolgt. Diese gerichtete Bewegung verlief entlang der Reihen von Mangan-Atomen, die alle die gleiche magnetische Ausrichtung besitzen. Die Bewegungen der Atome lassen sich mit einem Sprung oder einem Fußballschuss vergleichen, wobei die Sprungweite je nach verwendetem Element unterschiedlich ausfiel.

Felix Zahner (links) und André Kubetzka (rechts) bei der Arbeit an einen Rastertunnelmikroskop (UHH/MIN/Fuchs)

„Eigentlich wollten wir Experimente zur Atommanipulation machen und haben dann bemerkt, dass sich die Atome merkwürdig verhalten,“ sagt Doktorand Felix Zahner, Erstautor der Studie. „Wir überlegten, was passiert, wenn wir das Atom mit Strompulsen bewegen und haben festgestellt, dass sich das Atom tatsächlich immer in die gleiche Richtung bewegt.“

Da dieser Effekt immer noch ein Zufall sein kann oder mit der verwendeten Spitze des Rastertunnelmikroskops zusammenhängen konnte, suchten die Forschenden auf der Oberfläche nach verschiedenen magnetischen Domänen, in denen die magnetische Ausrichtung auf der Oberfläche in verschiedene Richtungen verläuft. „Wenn man dann sieht, die Atome bewegen sich auf der einen Domäne immer entlang der einen magnetischen Richtung und auf der anderen Domäne immer entlang der anderen Richtung, dann haben wir einen grundlegenden Effekt der Oberfläche gefunden.“

Computerberechnungen eines Teams der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel zeigen, dass die Energiebarrieren für die Bewegung, in die eine oder andere Richtung unterschiedlich sind, was die Bewegung deutlich in eine bestimmte Richtung lenkt. Dabei bleibt auch die magnetische Ausrichtung der Atome während ihrer Bewegung erhalten.

Diese Beobachtungen zeigen, dass die magnetischen Eigenschaften eines Systems die Beweglichkeit einzelner Atome beeinflussen können – sogar bei Atomen, die selbst nicht magnetisch sind. Bisher gingen Forschende eher davon aus, dass der Magnetismus bei solchen Bewegungen keine Bedeutung hat, doch die Ergebnisse legen nahe, dass er durchaus eine wichtige Rolle spielen kann.

„Diese Erkenntnisse könnten helfen, die Beweglichkeit von Atomen auf Oberflächen besser zu steuern und für technologische Anwendungen zu nutzen,“ erklärt Dr. André Kubetzka, korrespondierender Autor der Studie. „Überraschend ist jedenfalls, dass wir auch für nichtmagnetische Atome wie Rhodium und Iridium eine eindimensionale Diffusion entlang der parallelen magnetischen Reihen der Manganschicht sehen.“