Größere Festplatten: Überraschende Ordnung bei magnetischen Nanopartikeln

Eine internationale Forschungsgruppe hat ein überraschendes Verhalten kleinster magnetischer Partikel in einem Bereich von bis zu 10 Nanometern entdeckt. Das könnte künftig unter anderem höhere Speicherdichten von Festplatten erlauben. [...]

Kleinste magnetische Partikel, die einen Durchmesser von zehn oder weniger Nanometern haben, bilden überraschende Anordnungen in Ketten, Flächen oder Würfeln. Über diese Entdeckung berichtet eine internationale Forschungsgruppe um Prof. Dr. Ingo Rehberg, Prof. Dr. Birgit Weber und Prof. Dr. Stephan Förster an der Universität Bayreuth im Wissenschaftsmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“. Die neuen Erkenntnisse, an denen auch Forschungsteams der Universität Duisburg-Essen und am Europäischen Synchrotron (ESRF) in Grenoble beteiligt waren, könnten große Relevanz für Anwendungen der Magnetresonanztomographie (MRT) in der Medizin und für die Weiterentwicklung magnetischer Speichermedien haben.

SPONTANE ORDNUNG

Über das Ordnungsverhalten kleinster magnetischer Partikel in einem Bereich von bis zu 10 Nanometern war bisher wenig bekannt. Die Wissenschaftler entdeckten nun, dass würfelförmige Nanopartikel dieser Größenordnung in einem magnetischen Feld hochgradig geordnete Strukturen ausbilden: Sie fügen sich spontan zu stabilen Ketten, Flächen und größeren Würfeln zusammen. Zugleich konnte auch die Ursache dieser Strukturbildung identifiziert werden. Wie die würfelförmigen Nanopartikel sich in einem magnetischen Feld zusammenschließen, hängt wesentlich davon ab, wie die Dipolmomente – also die magnetischen „Nordpole“ und „Südpole“ – innerhalb der Würfel angeordnet sind. Diese Anordnung wiederum wird insbesondere davon beeinflusst, wie sich die einzelnen würfelförmigen Nanopartikel zusammensetzen. Mit diesen grundlegenden Erkenntnissen hat die Forschergruppe einen Ansatz gefunden, die spontane Clusterbildung kleinster magnetischer Partikel gezielt zu beeinflussen, ja sogar zu kontrollieren.
 
Ein möglicher Anwendungsbereich der Entdeckung sind magnetische Speichermedien. Für die Menge der Daten, die darin gespeichert werden können, ist die Speicherdichte von großer Bedeutung. Mit den jetzt untersuchten Nanopartikeln können die Abstände zwischen den einzelnen Partikeln auf 7,2 Nanometer reduziert werden. Dies entspricht den Forschern zufolge einer Speicherdichte von 12,4 Terabyte auf einer Fläche von knapp 6,5 Quadratzentimetern. Um eine stabile Anordnung der Partikel und eine zuverlässige Speicherkapazität zu erreichen, müssen die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Partikeln möglichst präzise gesteuert werden. Auch hierfür bieten sich die kleinsten Nanopartikel an, deren überraschendes Ordnungsverhalten jetzt erstmals aufgedeckt wurde. Auch für die Magnetresonanztomographie (MRT) sind die Forschungsergebnisse von großem Interesse.

Die neuen Erkenntnisse widerlegen bisherige Annahmen, wie sie nicht zuletzt auch in Lehrbüchern zur Physikalischen Chemie verbreitet wurden. Bislang ist man davon ausgegangen, dass sich magnetische Dipolmomente stets in Reihen anordnen, wobei sie in direkt benachbarten Reihen jeweils in entgegengesetzte Richtungen weisen („anti-ferromagnetische Anordnung“). Doch wie sich jetzt herausgestellt hat, bilden die Dipolmomente in den magnetischen Nanopartikeln geschlossene Kreise, die zu wesentlich höheren Bindungsenergien führen. Wie diese kreisförmigen Strukturen verlaufen, hängt insbesondere von der Anzahl der Partikel ab, aus denen sich die würfelförmigen Nanopartikel zusammensetzen. Und folglich sehen auch die Ketten, Flächen und Würfel verschieden aus, die durch diese Nanopartikel in magnetischen Feldern gebildet werden – je nachdem, wie diese Nanopartikel im Inneren strukturiert sind. (pi)