Magnetics

Magnetism is a class of physical phenomena that are mediated by magnetic fields. Electric currents and the magnetic moments of elementary particles give rise to a magnetic field, which acts on other currents and magnetic moments. Every material is influenced to some extent by a magnetic field. The most familiar effect is on permanent magnets, which have persistent magnetic moments caused by ferromagnetism. The prefix ferro- refers to iron, because permanent magnetism was first observed in a form of natural iron ore called magnetite, Fe3O4. Most materials do not have permanent moments. Some are attracted to a magnetic field (paramagnetism); others are repulsed by a magnetic field (diamagnetism); others have a more complex relationship with an applied magnetic field (spin glass behavior and antiferromagnetism). Substances that are negligibly affected by magnetic fields are known as non-magnetic substances. These include copper, aluminium, gases, and plastic. Pure oxygen exhibits magnetic properties when cooled to a liquid state.

The magnetic state (or magnetic phase) of a material depends on temperature and other variables such as pressure and the applied magnetic field. A material may exhibit more than one form of magnetism as these variables change.

  • A Nano-Roundabout for Light

    Functional principle of a nano-roundabout.  © TU Wien

    At TU Wien, it was possible to create a nanoscale optical element that regulates the flow of light particles at the intersection of two glass fibers like a roundabout. A single atom was used to control the light paths. Just like in normal road traffic, crossings are indispensable in optical signal processing. In order to avoid collisions, a clear traffic rule is required. A new method has now been developed at TU Wien to provide such a rule for light signals. For this purpose, the two glass fibers were coupled at their intersection point to an optical resonator, in which the light circulates and behaves as in a roundabout. The direction of circulation is defined by a single atom coupled to the resonator. The atom also ensures that the light always leaves the roundabout at the next exit. This rule is still valid even if the light consists merely of individual photons. Such a roundabout will consequently be installed in integrated optical chips – an important step for optical signal processing.

  • Bakterien aus dem Blut «ziehen»

    Bakterien können mit magnetischer Blutreinigung entfernt werden (links). Eine Lösung mit magnetischen Eisenpartikeln (oben rechts), kann mitt einem Magneten "gereinigt" werden (unten rechts). Empa

    Magnete statt Antibiotika, das könnte eine mögliche neue Behandlungsmethode bei Blutvergiftungen sein. Dazu wird das Blut der Patienten mit magnetischen Eisenpartikeln versetzt, die die Bakterien an sich binden, ehe sie durch Magnete aus dem Blut entfernt werden. Erste Laborversuche sind an der Empa in St. Gallen gelungen – und erfolgversprechend. Blutvergiftungen enden auch heutzutage noch in über 50% der Fälle tödlich, lassen sich aber im Anfangsstadium durchaus kurieren. Daher ist oberstes Gebot, schnell zu handeln. Aus diesem Grund verabreichen Ärzte meist schon bei einem Verdacht auf Blutvergiftung Antibiotika, ohne vorher abzuklären, ob es sich tatsächlich um eine bakterielle Sepsis handelt, was wiederum die Gefahr für Resistenzen massiv erhöht. Es gilt also, eine schnelle und effektive Therapie zu finden, möglichst ohne auf Antibiotika zurückgreifen zu müssen.

  • Cooling towards absolute zero using super-heavy electrons

    Temperature evolution of an Yb0.81Sc0.19Co2Zn20 single crystal during the reduction of a magnetic field from 8 to 0 Tesla. © University of Augsburg, IFP/EP VI

    New quantum material significantly improves adiabatic demagnetization cooling

  • Defects at the spinterface disrupt transmission

    An organic radical approaches a lattice of rutile crystals (red) – here with an ideal surface free of defects Graphic: Benedetta Casu and Arrigo Calzolari

    Tübingen researchers put metal-oxides and organic magnets together; applications for electronics in sight

  • Eine Mini-Antenne für die Erzeugung von hochfrequenten Spinwellen

    Eine Mini Antenne für die Erzeugung von hochfrequenten Spinwellen | Das Zentrum eines magnetischen Wirbels sendet unter hochfrequenten magnetischen Wechselfeldern Spinwellen mit sehr kurzen Wellenlängen aus. Abbildung: HZDR

    Im Zuge der rasant fortschreitenden Miniaturisierung steht die Datenverarbeitung mit Hilfe elektrischer Ströme vor zum Teil unlösbaren Herausforderungen. Eine vielversprechende Alternative für den Informationstransport in noch kompakteren Chips sind magnetische Spinwellen. Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) ist es nun bei einer internationalen Zusammenarbeit gelungen, Spinwellen mit extrem kurzen Wellenlängen im Nanometer-Bereich – eine entscheidende Eigenschaft für die spätere Anwendung – gezielt zu erzeugen.

  • Electric field shakes a magnet in one trillionth of a sec. Novel method of spin control discovered

    An intense THz pulse (red waveform) changes the electronic orbitals of a magnetic material leading to oscillation of spins (compass needles). Dr. Rostislav Mikhaylovskiy

    An international team of scientists from Germany, the Netherlands and Russia has successfully demonstrated a novel, highly efficient and ultrafast magnetization control scheme by employing electromagnetic waves oscillating at terahertz frequencies. The new concept will be published in the upcoming issue of Nature Photonics.

  • Exotischer Materiezustand: "Flüssige" Quantenspins bei tiefsten Temperaturen beobachtet

    Exotischer Materiezustand Flüssige Quantenspins bei tiefsten Temperaturen beobachtet | Im Kristallgitter von Kalzium-Chrom-Oxid gibt es sowohl ferromagnetische Wechselwirkungen (grüne und rote Balken) als auch antiferromagnetische (blaue Balken). Abbildung: HZB

    Ein Team am HZB hat experimentell eine sogenannte Quanten-Spinflüssigkeit in einem Einkristall aus Kalzium-Chrom-Oxid nachgewiesen. Dabei handelt es sich um einen neuartigen Materiezustand. Das Besondere an dieser Entdeckung: Nach gängigen Vorstellungen war das Quantenphänomen in diesem Material gar nicht möglich. Nun liegt eine Erklärung vor. Die Arbeit erweitert das Verständnis von kondensierter Materie und könnte auch für die zukünftige Entwicklung von Quantencomputern von Bedeutung sein. Die Ergebnisse sind nun in Nature Physics veröffentlicht.

  • Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

    Ein Cytochrom-Molekül  wurde mit einem magnetischen Etikett versehen (farbige Struktur rechts oben). Zusammen mit einem Bestandteil des Cytochroms (rot) konnte dann der Abstand bestimmt werden. © AG Schiemann/Uni Bonn

    Wissenschaftlern der Universität Bonn ist es gelungen, einem wichtigen Zellprotein bei der Arbeit zuzusehen. Sie nutzten dazu eine Methode, mit der man Strukturänderungen komplexer Moleküle messen kann. Das weiter entwickelte Verfahren erlaubt es, derartige Prozesse in der Zelle zu beobachten, also der natürlichen Umgebung. Die Forscher stellen zudem eine Art Werkzeugkasten zur Verfügung, der die Vermessung unterschiedlichster Moleküle erlaubt. Ihre Studie ist jetzt in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ erschienen. Wenn wir eine vorweihnachtliche Walnuss öffnen wollen, benutzen wir dazu in der Regel einen Nussknacker. Der besteht im einfachsten Fall aus zwei Schenkeln, die sich um ein Gelenk gegeneinander bewegen und so Druck auf die Schale ausüben können. Ganz simpel, eigentlich – um zu begreifen, wie so ein Nussknacker funktioniert, genügt es uns, ihn ein einziges Mal in Aktion zu sehen.

  • Fundamental properties of spin Seebeck effect unveiled

    Fundamental properties of spin Seebeck effect unveiled | Thermally excited spin waves carry a spin current from the ferromagnet (YIG in this case) into the metal layer. Depending on the YIG thickness and the interface condition the amplitude of the spin current as well as transmission properties change. illustraton: Joel Cramer, JGU

    Direct correlation between temperature dependent generation of spin currents and atomic composition of interfaces found

    Thermoelectric effects are a fundamental building block for the conception and development of new processes for information processing. They enable to re-use waste heat obtained in different processes for the operation of respective devices and thus contribute to the establishment of more energy-efficient, ecofriendly processes. A promising representative of this effect category is the so-called spin Seebeck effect, which became prominent within recent years. This effect allows to convert waste heat into spin currents and thereby to transport energy as well as information in magnetic, electrically insulating materials.

  • HANNOVER MESSE 2016: Sensor cable makes life difficult for burglars

    Ideally, homeowners want to be warned if a burglar sneaks onto their property, and farmers want to know if horses or sheep are no longer in the paddock or field they were left grazing in. Experimental physicists at Saarland University have developed a flexible security solution that can be used in gardens, driveways, business premises, or on grazing land and in woodland. The sensor cable system that Professor Uwe Hartmann and his team have developed issues a warning signal indicating if and where someone has attempted to cross over the cable. The cable itself can be fixed to long stretches of fencing, hung in trees or even buried underground.

  • Kristallzüchtung für komplexe Messaufgaben in der 5G-Technologie

    Kristallzüchtung für komplexe Messaufgaben in der 5G Technologie | Ferrit-Einkristalle für Hochfrequenz-Filterkomponenten gezüchtet aus Hochtemperaturlösungen Photo: INNOVENT e.V.

    Wissenschaftler der Industrieforschungseinrichtung INNOVENT züchten einkristalline Ferritmaterialien für die Mikrowellenmesstechnik. Erstmals werden damit durchgehende Empfangsbereiche von Signal- und Spektrumanalysatoren bis 85 GHz für anspruchsvolle Messaufgaben auf den Gebieten Automotive Radar, 5G und andere drahtlose Kommunikation realisiert.

  • Ladungsdichtewellen trotz Supraleitung möglich

    Ladungsdichtewellen trotz Supraleitung möglich | Mit Hilfe der EELS-Elektronenspektroskopie lassen sich im Rasterelektronenmikroskop die Positionen der einzelnen Atome in der Heterostruktur kartieren: Die supraleitenden YBaCuO-Regionen sind an Yttrium (Blau) und Kupfer (pink) erkennbar, während in der ferromagnetischen Schicht Mangan (grün) und Lanthan (rot) eingebaut ist. Abbildung: MPI Stuttgart

    Physiker haben an BESSY II des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) einen Weg gefunden, um die Supraleitung zu beeinflussen. Sie haben ein Materialsystem aus dünnen ferromagnetischen und supraleitenden Schichten untersucht. An den Grenzflächen bildeten sich Ladungsdichtewellen aus, die erstaunlich weit in die supraleitende Schicht hineinreichen. Der supraleitende Effekt konnte dadurch stabilisiert werden. Die Ergebnisse sind nun in Nature Materials publiziert.

  • Light-driven atomic rotations excite magnetic waves

    Light-driven atomic rotations (spirals) induce coherent motion of the electronic spins (blue arrows). Image: J.M. Harms/MPI for the Structure and Dynamics of Matter

    Terahertz excitation of selected crystal vibrations leads to an effective magnetic field that drives coherent spin motion. Controlling functional properties by light is one of the grand goals in modern condensed matter physics and materials science. A new study now demonstrates how the ultrafast light-induced modulation of the atomic positions in a material can control its magnetization. An international research team led by Andrea Cavalleri from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter at CFEL in Hamburg used terahertz light pulses to excite pairs of lattice vibrations in a magnetic crystal.

  • MADMAX: Max Planck Institute for Physics takes up axion research

    Test setup of the experiment with sapphire plates. In the future, 80 lanthanum aluminate disks will allow the detection of axion-photon-conversion. B. Wankerl/MPP

    The Max Planck Institute for Physics (MPP) is opening up a new research field. A workshop from November 21 - 22, 2016 will mark the start of activities for an innovative axion experiment. Axions are still only purely hypothetical particles. Their detection could solve two fundamental problems in particle physics: What dark matter consists of and why it has not yet been possible to directly observe a CP violation for the strong interaction.

  • Magnetic Bits by Electric Fields

    Controlled deleting (left) and writing (right) of individual nanoscale magnetic skyrmions by local electric fields. Between the individual images the tip of a scanning tunneling microscope was properly positioned and the local electric field was raised for a short time up to +3 V/nm (left) or -3V/nm (right). A single atomic vacancy in the ultrathin iron film (dark contrast) indicates the extremely small scale of the written and deleted skyrmions (bright contrast). P.-J. Hsu und R. Wiesendanger, University of Hamburg, Germany

    Researchers now make use of local electric fields for writing and deleting individual nanoscale magnetic skyrmions. Physicists of the University of Hamburg in Germany have demonstrated for the first time the controlled writing and deleting of individual nanoscale magnetic knots – so called skyrmions – by applying local electric fields to an ultrathin film of iron as data storage medium. These tiny knots in the magnetization of ultrathin metallic films exhibit an exceptional stability and are highly promising candidates for future ultra-high density magnetic recording. So far, they could be manipulated by local spin-currents and magnetic fields only. Now the research group at the University of Hamburg, headed by Roland Wiesendanger, report on the first electric-field controlled manipulation of nanoscale magnetic skyrmions in the journal Nature Nanotechnology (online issue of November 7, 2016).

  • Making magnets flip like cats at room temperature

    Making magnets flip like cats at room temperature | Flipping NiMnSb magnet Illustration: Inspire Group, JGU

    Heusler alloy NiMnSb could prove valuable as a new material for digital information processing and storage. The direction of its magnetic field can be switched by changing the direction of an electric current running through it.

  • Manipulation of the characteristics of magnetic materials

    In the simulation, magnetic signals spread along the domain walls in a few nanoseconds. The signals behave in a wave-like manner, with the initially high amplitude rapidly becoming smaller. McCord

    Magnets are not everywhere equally magnetized, but automatically split up into smaller areas, so-called magnetic domains. The walls between the domains are of particular importance: they determine the magnetic properties of the material. A research team of material scientists from Kiel University is working on artificially creating domain walls to be able to modify in a controlled way the behaviour of magnets on a nanometre scale. In the long term, this method could also be used for high-speed and energy-efficient data transfer. The research results were recently published in the renowned journal “Scientific Reports”.

  • Münster researchers make ongoing inflammation in the human brain visible

    Researchers at the Cells-in-Motion Cluster of Excellence have visualized inflammation in the brain of mice (l.) and of MS patients (r.). To do so, they labelled specific enzymes (MMPs). Reprinted with permission from Gerwien and Hermann et al., Sci. Transl. Med. 8, 364ra152 (2016) 9 November 2016

    For the first time, Researchers at the Cells-in-Motion Cluster of Excellence (CiM) at Münster University have been able to image ongoing inflammation in the brain of patients suffering from multiple sclerosis. The ultimate aim in biomedical research is the transfer of results from experiments carried out in animals to patients. Researchers at the Cells-in-Motion Cluster of Excellence (CiM) at the University of Münster have succeeded in doing so. For the first time, they have been able to image ongoing inflammation in the brain of patients suffering from multiple sclerosis (MS). This involved specialists from different disciplines working together in a unique way over several years, combining immunology, neurology and imaging technologies ranging from microscopy to whole-body imaging.

  • Physiker weisen für Magnonen Supraströme bei Raumtemperatur nach

    Physiker weisen für Magnonen Supraströme bei Raumtemperatur nach | Professor Dr. Burkhard Hillebrands, TU Kaiserslautern Koziel/ TU Kaiserslautern

    Supraleiter zeigen faszinierende Quantenphänomene. Allerdings treten diese in der Regel nur bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt auf. Für bestimmte Quantenteilchen, die Magnonen, haben Physiker um Professor Dr. Burkard Hillebrands von der TU Kaiserslautern einen neuartigen Strom von Magnonen, einen Suprastrom, nun erstmals bei Raumtemperatur nachgewiesen. An der Arbeit waren auch theoretische Physiker aus Israel und der Ukraine beteiligt. Die Erkenntnisse könnten helfen, etwa die Datenverarbeitung wesentlich leistungsfähiger machen. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

  • Quantum Particles Form Droplets

    Quantum droplets may preserve their form in absence of external confinement because of quantum effects. IQOQI/Harald Ritsch

    In experiments with magnetic atoms conducted at extremely low temperatures, scientists have demonstrated a unique phase of matter: The atoms form a new type of quantum liquid or quantum droplet state. These so called quantum droplets may preserve their form in absence of external confinement because of quantum effects. The joint team of experimental physicists from Innsbruck and theoretical physicists from Hannover report on their findings in the journal Physical Review X.