08/12/2015

Paul Scherrer Institut (PSI)

Magnete aus unmagnetischen Metallen

Ein international zusammengesetztes Forschungsteam unter Leitung der Universität Leeds hat zum ersten Mal gezeigt, wie man von Natur aus unmagnetische Metalle wie etwa Kupfer magnetisch machen kann. Die Entdeckung könnte helfen, neuartige Magnete für unterschiedlichste technische Anwendungen wie Stromgeneratoren oder Festplatten zu entwickeln. Messungen, die für das Verständnis des Phänomens entscheidend waren, wurden am Paul Scherrer Institut PSI durchgeführt. Nur hier lassen sich magnetische Vorgänge im Inneren von Materialien hinreichend detailgenau untersuchen.

Magnete kommen in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz: in Stromgeneratoren, bei der Datenspeicherung auf Festplatten oder in Geräten für die medizinische Bildgebung. Permanentmagnete, also solche, die dauerhaft magnetisch sind, können nur aus den drei ferromagnetischen Elementen Eisen, Kobalt und Nickel hergestellt werden. Um die Eigenschaften der Magnete an die Bedürfnisse einzelner Anwendungen anzupassen, fügt man diesen Elementen oft noch kleine Mengen anderer Elemente bei, wobei man zum Teil auf Substanzen zurückgreifen muss, die nur in geringen Mengen verfügbar sind oder schädliche Eigenschaften haben.

Fussballmoleküle machen Kupfer magnetisch
In einem Forschungsprojekt unter der Leitung der Universität Leeds haben nun Forschende gezeigt, wie man von Natur aus unmagnetische Metalle dazu bewegen kann, magnetisch zu werden. Fatma Al Ma’Mari von der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Leeds betont: „Damit wird denkbar, dass Magnete für die Geräte der Zukunft aus Substanzen hergestellt werden, die ungefährlich sind und in grossen Mengen zur Verfügung stehen wie etwa Kohlenstoff oder Kupfer.“

Für ihre Versuche haben die Forschenden auf einem dünnen Kupferstreifen eine Schicht von Kohlenstoff-60-Molekülen – wegen ihrer Form auch Fussball-Moleküle genannt – aufgetragen. Die Bewegung der Elektronen durch die Grenzfläche zwischen den beiden Schichten verändert die magnetischen Eigenschaften des kombinierten Materials so sehr, dass dieses ferromagnetisch wird, also permanent magnetisiert werden kann.

Experimente nur am Paul Scherrer Institut möglich
Dass tatsächlich die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien für das magnetische Verhalten verantwortlich ist, haben Experimente mit Myonen am Paul Scherrer Institut PSI im schweizerischen Villigen gezeigt. Myonen sind instabile Elementarteilchen, mit deren Hilfe man gezielt den Magnetismus an verschiedenen Stellen im Inneren von Materialien untersuchen kann. „Die magnetischen Eigenschaften einer verborgenen Grenzschicht zu untersuchen ist nicht einfach. Ideal dazu eignen sich langsame Myonen, die sich sehr genau in der Nähe der Grenzfläche platzieren lassen. Das PSI ist derzeit der einzige Ort, an dem man langsame Myonen für diese Art von Untersuchungen nutzen kann“, betont Thomas Prokscha, Leiter der Forschungsgruppe Niederenergie-Myonen am PSI.

„Im Experiment werden die Myonen in das untersuchte Material „hineingeschossen“. Da sie sich selbst wie winzige Kompassnadeln verhalten, reagieren sie auf das Magnetfeld an dem Ort im Material, an dem sie sich befinden. Nach kurzer Zeit zerfallen die Myonen in andere Teilchen. Beobachtet man die Flugrichtung dieser Teilchen, kann man auf das Verhalten des Myons im Material und damit auch auf die magnetischen Vorgänge im Inneren des Materials schliessen“, erläutert Hubertus Luetkens, der mit Prokscha das Experiment von Seiten des PSI betreut hat.

Noch zu schwach
Oscar Céspedes, Leiter des Forschungsprojekts an der Universität Leeds erklärt: „Wir – wie auch andere Forscher – hatten schon vor einiger Zeit bemerkt, dass eine Grenzfläche zwischen einem Magneten und einer Molekülschicht die Eigenschaften des Magneten verändert. So war es ein natürlicher Schritt, dass wir uns gefragt haben, ob es möglich sein würde, so auch eine magnetische Ordnung in einem nicht-magnetischen Material zu erzeugen.“

Die Forscher betonen, dass sie zwar das grundsätzliche Prinzip gezeigt haben, dass sie aber noch daran arbeiten müssen, die Magnete stärker zu machen. „Die Magnete, die wir jetzt erzeugt haben, sind noch sehr schwach: sie würden nicht an der Kühlschranktür halten. Aber wir sind überzeugt, dass man mit der richtigen Kombination von chemischen Elementen neuartige Magnete entwickeln kann, die in verschiedenen Zukunftstechnologien Anwendung finden werden“, so Céspedes.

Literatur
Beating the stoner criterion using molecular interfaces
Fatma Al Ma’Mari, Timothy Moorsom, Gilberto Teobaldi, William Deacon, Thomas Prokscha, Hubertus Luetkens, Steve Lee, George E. Sterbinsky, Dario A. Arena, Donald A. MacLaren, Machiel Flokstra, Mannan Ali, May Wheeler, Gavin Burnell, Bryan J. Hickey and Oscar Cespedes, Nature, 06 August 2015

Quelle