Neues Material hält externes Magnetfeld fest
Max-Planck-Forscher entdecken starke Magnetisierung bei Messungen am HZDR und in den Niederlanden
Forscher
des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS)
in Dresden haben eine neue Legierung konzipiert, die so stark
magnetisiert werden kann, wie bislang kein anderes Material. Die zuvor
nicht-magnetische Verbindung aus Mangan, Platin und Gallium bewahrt auch
nach Abschaltung eines externen Magnetfeldes ein starkes inneres Feld.
Ihre Messungen führten die Forscher am Hochfeld-Magnetlabor Dresden des
Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und am High Field Magnet
Laboratory (HFML) an der Radboud University in Nijmegen durch.
Die
Dresdner MPI-Forscher haben ein neues Material entwickelt, in dem sie
eine außerordentlich starke magnetische Wechselwirkung – einen
sogenannten „exchange bias“ – nachweisen konnten. Auch nach Abschalten
des externen Magnetfeldes konnte eine magnetische Feldstärke von über
drei Tesla in dem neuen Material gemessen werden. Ein sehr hoher Wert,
wie er beispielsweise von starken Magnetresonanz-Tomographen in der
Medizin erreicht wird.
Materialien via Design
Die
am MPI-CPfS berechnete und hergestellte Legierung aus
Mangan-Platin-Gallium ist scheinbar unmagnetisch. Das liegt an zwei
magnetischen Untergittern, die sich gegenseitig kompensieren. Es handelt
sich um eine sogenannte Heuslersche Verbindung. Wie durch einen
Tarnmantel geschützt, liegen hier die magnetischen Eigenschaften im
Inneren verborgen, während sich um das Material herum kein Magnetfeld
detektieren lässt. Das Design derartiger Materialien am Computer ist ein
Forschungsschwerpunkt der Max-Planck-Wissenschaftler: „Das Gute an den
Heusler-Verbindungen ist die gute Durchstimmbarkeit; ich kann einzelne
Atome so auswählen, dass deren magnetische Momente sich zu null
addieren“, sagt Ajaya Nayak, ein junger Gruppenleiter am MPI und
Erstautor der Studie.
Um
die getarnten magnetischen Eigenschaften ihrer neuen Verbindung besser
zu begreifen, nutzten die Max-Planck-Forscher zunächst das
Hochfeld-Magnetlabor (HLD) der Dresdner Kollegen am HZDR. In gepulsten
Magnetfeldern bis zu 60 Tesla konnten so erste Rückschlüsse auf die
magnetische Struktur des neu synthetisierten Materials gezogen werden.
Doch für eine kontrollierte Manipulation dieser Eigenschaften waren
weitere Experimente in statischen Magnetfeldern nötig. Vom HLD aus
entstand schnell der Kontakt zum HFML in Nijmegen, wo derartige Felder
erzeugt werden können. Hier gelang es den Wissenschaftlern schließlich,
dem Material ein Magnetfeld von über drei Tesla aufzuprägen. Dazu wurde
die Heuslersche Legierung in einem mehr als 20 Tesla starken, statischen
Magnetfeld kontrolliert abgekühlt, was schließlich zu einer
magnetischen Wechselwirkung im Material führte.
Von der Idee zur Anwendung
Die
neuen Ergebnisse sind besonders interessant für die
Grundlagenforschung, die sich mit der Synthese neuer Materialien
beschäftigt und fundamentale neue Eigenschaften solcher Verbindungen
untersucht. Doch auch zu möglichen Anwendungen ist es nur ein kleiner
Schritt: So ist es bereits gelungen, eine andere Heusler-Verbindung zu
finden, deren magnetischer Phasenübergang sich oberhalb der
Raumtemperatur befindet. Das könnte neue magneto-elektronische
Bauelemente mit einer ungewöhnlich stabilen Magnetisierung ermöglichen.
Schon heute wird ein wesentlich kleinerer „exchange bias“-Effekt in
Leseköpfen von Festplatten genutzt.
Hochfeldforschung in Europa
Die
Arbeit ist die erste gemeinsame Publikation des 2015 gegründeten
European Magnetic Field Laboratory (EMFL) und ist ein Musterbeispiel für
die Vorteile einer solchen internationalen Zusammenarbeit. Das EMFL ist
eine gemeinsame europäische Organisation des Hochfeld-Magnetlabor
Dresden (HLD-EMFL), des Laboratoire National des Champs Magnétiques
Intenses (LNCMI-EMFL) in Grenoble und Toulouse und des High Magnetic
Field Laboratory (HFML-EMFL) in Nijmegen.