Dank dieser Kopplung liessen sich in Multiferroika womöglich magnetische Bits mittels energiesparsamer elektrischer Felder schreiben. Seit Längerem wird daher erwartet, dass diese Materialklasse in Zukunft Grundlage von Festplatten sein könnte. Der Vorteil des nun neu entwickelten multiferroischen Materials: Es zeigt die nötigen magnetischen Eigenschaften auch bei Zimmertemperatur und nicht nur – wie die meisten bisherigen magnetoelektrischen Multiferroika – bei sehr starker Kühlung von typischerweise minus 200 Grad Celsius. Ihre neuen Ergebnisse veröffentlichten die PSI-Forschenden im Fachblatt Nature Communications.
Forschende am PSI haben ein neues Material geschaffen, das ein grosses Potenzial für zukünftige Speichermedien hat. Es handelt sich um ein sogenanntes magnetoelektrisches multiferroisches Material, dessen entscheidende Neuerung darin besteht, dass es seine nötigen magnetischen Eigenschaften auch bei Raumtemperatur behält und damit für den Einsatz im Alltag taugt.
Eigenschaften des Materials lassen sich steuern
Magnetoelektrische multiferroische Materialien sind äusserst selten. In ihnen sind die magnetischen und elektrischen Eigenschaften aneinander gekoppelt. Die magnetischen Eigenschaften des Materials lassen sich steuern, indem ein elektrisches Feld angelegt wird. Elektrische Felder lassen sich einfacher und energiesparsamer erzeugen als magnetische Felder. „Wird ein elektrisches Feld an magnetoelektrische Multiferroika angelegt, wirkt dieses auf die elektrischen Eigenschaften des Materials. Durch die magnetoelektrische Kopplung bekommt man dann noch eine Veränderung der magnetischen Eigenschaften hinzugeschenkt“, beschreibt Marisa Medarde, Leiterin der neuen Studie, die besondere Materialklasse.
Daten speichern, Energie sparen
Heutige Computerfestplatten speichern die Daten in Form magnetischer Bits, die durch Anlegen eines magnetischen Feldes geschrieben werden. Demgegenüber hätten Speichermedien auf der Basis von Multiferroika einige Vorteile: Die magnetische Datenspeicherung würde durch Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgen, was deutlich weniger Energie benötigen würde; die Geräte würden weniger Abwärme produzieren und hätten daher auch einen geringeren Bedarf an Kühlung beispielsweise durch Ventilatoren. Da jährlich viele Billionen Kilowattstunden Energie im Cloudcomputing verbraucht werden, sind Einsparungen in diesem Bereich von grosser Bedeutung.
In fast allen Materialien schliessen sich Magnetismus – wie er beispielsweise im Eisen vorliegt – und Ferroelektrizität – eine bestimmte elektrische Materialeigenschaft – gegenseitig aus. Multiferroische Materialien bilden hier eine Ausnahme: Sie sind sowohl magnetisch als auch ferroelektrisch; darüber hinaus sind diese beiden Eigenschaften aneinander gekoppelt. Allerdings konnten bisher fast ausschliesslich Materialien geschaffen werden, die sich bei sehr tiefen Temperaturen von typischerweise minus 200 Grad Celsius multiferroisch verhalten. Das neue Material der PSI-Forschenden ist daher eine Neuheit.
Rezeptur, Herstellung und Untersuchungen am PSI
Erreicht haben die Forschenden ihr neues Material, indem sie sowohl die chemische Zusammensetzung des Materials als auch den genauen Herstellungsprozess massschneiderten. Schliesslich zeigte sich: Das Material mit der chemischen Formel YBaCuFeO5 ist geeignet und zeigt dann die besten Ergebnisse, wenn es erst hoch erhitzt und dann extrem rasch und sehr stark abgekühlt wird. „Bei der hohen Temperatur ordnen sich die Atome so an, wie es für unsere Zwecke dienlich ist“, erklärt Medarde. „Die rasche Abkühlung friert dann diese Anordnung quasi ein.“ Die zugrundeliegende Methode der raschen Abkühlung kennt man von der Herstellung besonders harter Metalle und nutzt sie seit Jahrhunderten beispielsweise zur Härtung von Stahlschwertern. Die PSI-Forschenden setzten jedoch weitaus extremere Temperaturen ein: Ihr Material erhitzten sie erst auf 1000 Grad Celsius und kühlten es dann schlagartig und kurzfristig in einem auf minus 200 Grad Celsius. Nachdem das Material aus diesem Kühlbad entnommen wird, behält es seine besonderen magnetischen Eigenschaften bis zu Raumtemperatur und etwas darüber.
Die Herstellungsprozedur und Verbesserung der Materialeigenschaften wurden am PSI entwickelt, wo auch die Materialien hergestellt und anschliessend an den beiden Grossforschungsanlagen Neutronenquelle SINQ und Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS untersucht wurden. „Unser neues Material besteht aus sehr kostengünstigen Zutaten“, freut sich Medarde. „Und auch die Herstellung ist – nachdem wir sie nun ausgetüftelt haben – einfach zu bewerkstelligen.“
Seine Eigenschaften verdankt das neue Material sogenannten magnetischen Spiralen auf der Ebene der Atome. Diese winzigen Spiralen sorgen für die Kopplung des Magnetismus und der Ferroelektrizität. In den meisten Materialien jedoch verschwinden die magnetischen Spiralen, wenn das Material wärmer als rund minus 200 Grad Celsius wird. Die PSI-Forschenden sehen daher ihren hauptsächlichen Verdienst darin, dass es ihnen geglückt ist, ein Material mit magnetischen Spiralen zu schaffen, die auch bei Raumtemperatur stabil sind. „Sogar bei 30 Grad Celsius waren unsere magnetischen Spiralen noch vorhanden“, so Medarde.
Ein Verwandter der Hochtemperatursupraleiter
Das Material YBaCuFeO5 an sich ist nicht ganz neu. Tatsächlich wurde diese chemische Verbindung schon im Jahr 1988 zum ersten Mal hergestellt. Doch nun ordnet der besondere Herstellungsprozess der PSI-Forschenden die Eisen- und Kupferatome im Material genau so an, dass das Material ganz neue Eigenschaften erhält. YBaCuFeO5 ist eng verwandt mit der Materialklasse Yttrium-Barium-Kupferoxid, chemisch abgekürzt YBa2Cu3O6+x, eine im Jahr 1987 entdeckte Gruppe von Supraleitern, die wiederum bis zu vergleichsweise hohen Temperaturen supraleitend bleiben: Einige von ihnen verlieren ihre supraleitende Eigenschaft bei Temperaturen von rund minus 180 Grad Celsius, also rund 200 Grad unterhalb der Spiralordnungstemperatur des neuen Materials der PSI-Forschenden.
Ausführliche Bildlegenden
Bild 1
Die beiden PSI-Forschenden Mickaël Morin und Marisa Medarde frieren die Atomordnung des multiferroischen Materials YBaCuFeO5 ein. Das Materialstück wird dafür zunächst in einem Ofen auf 1000 Grad Celsius erhitzt und fällt anschliessend in ein Gefäss, das mit minus 200 Grad Celsius kaltem flüssigem Stickstoff gefüllt ist.
Bild 2
Spiralen können Information speichern. In den meisten heutigen Computerspeichern werden die 0/1-Werte durch die Orientierung kleiner Magnete nach links/rechts dargestellt. In einem zukünftigen magnetoelektrischen Speicher dagegen bilden dieselben grundlegenden Magnete Spiralen. In diesem Fall werden die Werte 0/1 durch den linken/rechten Drehsinn der Spiralen dargestellt.
Bild 3
Magnetische Spiralen, mit Neutronen sichtbar gemacht. Die Grafik zeigt die Intensität der von der Materialprobe abgelenkten Neutronen. Die zwei gelbgrünen Linien sind die Signatur der magnetischen Spiralen und sind im Temperaturbereich von 2 bis 310 Kelvin (minus 275 bis plus 37 Grad Celsius) sichtbar.
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