Magnetismus treibt einzelne Atome an und stellt Theorien auf den Kopf

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 06.10.2025

Schematische Darstellung des Experiments: Das Adatom (rot) bewegt sich eindimensional im Magnetarray, wenn ein Spannungspuls durch die Spitze des Rastertunnelmikroskops geschossen wird. Blaue und gelbe Kreise zeigen Oberflächenatome und weiße Pfeile die Ausrichtung ihrer magnetischen Momente. [Bild: UHH/MIN/Kubetzka]

Atome durch Magnetismus angetrieben

Deutschen Physikern ist es erstmals gelungen, einzelne Atome allein durch Magnetismus zu bewegen. Damit ebneten sie den Weg für die Nutzung atomarer Bewegung in der Nanotechnologie und Datenspeicherung.

Normalerweise bewegen sich einzelne Atome zufällig über eine Oberfläche, hauptsächlich beeinflusst durch die Kristallsymmetrie der Oberfläche. Dieser als „Diffusion“ bezeichnete Prozess spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Halbleitern , Katalysatoren und dem Aufbau von Nanostrukturen.

Theoretische Physiker vermuten schon länger, dass Magnetismus auch die Bewegung einzelner Atome beeinflussen könnte. Nun haben Felix Zahner und Kollegen von den Universitäten Kiel und Hamburg dies erstmals experimentell nachgewiesen: Die Atome wurden auf einer magnetischen Oberfläche gezielt in eine Richtung gelenkt.

Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt platzierte das Team einzelne Atome wie Kobalt, Rhodium und Iridium auf einer Heterostruktur, die aus einer Manganschicht mit genau einer Atomschicht auf einer Rheniumoberfläche besteht. Physiker nennen diese Atome, die auf der Oberfläche eines Kristalls platziert sind, aber nicht an der Kristallstruktur beteiligt sind, „Adatome“.

Durch diesen Aufbau entstand eine besonders gut definierte und magnetisch geordnete Oberfläche, bei der die magnetischen Eigenschaften der einzelnen Atomlinien genau bekannt sind.

Obwohl die Struktur einen symmetrischen, hexagonalen Aufbau aufweist, bewegten sich die Atome nicht zufällig in eine der sechs möglichen Richtungen, sondern folgten stets den magnetischen Linien – selbst dann, wenn die Atome selbst nicht magnetisch waren, wie im Fall von Rhodium oder Iridium.

Gebrochene Oberflächensymmetrie und eindimensionale Bewegung des Kobaltatoms. [Bild: Felix Zahner et al. - 10.1038/s41467-025-60086-9]

Die Quantenmechanik erklärt

Um das Phänomen zu erklären, musste das Team quantenmechanische Berechnungen auf einem Supercomputer durchführen.

Die Simulationen bestätigten, dass es für Atome energetisch einfacher ist, sich entlang magnetischer Linien zu bewegen als quer dazu. Die Ursache liegt in einer magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Adatom und den Oberflächenatomen.

Stellen Sie sich Atome und Adatome als winzige Magnete vor. Bei Atomen magnetischer Elemente wie Kobalt entsteht diese Wechselwirkung durch ihr eigenes magnetisches Moment. Bei Atomen nichtmagnetischer Elemente wie Rhodium oder Iridium entsteht ein kleines magnetisches Moment nur durch die Wechselwirkung mit der Oberfläche, welches die Bewegungsrichtung beeinflusst. Daher bewegen sich die Atome bevorzugt entlang der magnetischen Linien der Oberfläche.

Bislang ging die Physik davon aus, dass Magnetismus bei der Bewegung einzelner Atome keine Rolle spielt – experimentelle Ergebnisse widerlegen diese Annahme nun.

„Die magnetischen Eigenschaften einer Oberfläche können die Beweglichkeit einzelner Atome beeinflussen“, erklärt Professor Soumyajyoti Haldar. „Das eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Steuerung atomarer Bewegungen – zum Beispiel für Anwendungen in der Nanotechnologie, der Datenspeicherung oder der Entwicklung neuer Materialien.“

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