Aufgeblähte Magnete

Magnetische Materialien verlängern sich, wenn ein äußeres Magnetfeld auf sie einwirkt. Diese Joule´sche Magnetostriktion geschieht ohne Volumenänderung. Doch nun entdeckten zwei amerikanische Physiker in speziellen Legierungen ein völlig anderes Verhalten. Der neue Werkstoff dehnte sich in einem Magnetfeld in alle Richtungen aus und schwoll dabei sogar an. Ohne Magnetfeld schrumpfte es wieder auf die ursprüngliche Größe. Dieser Effekt – Non-Joulian Magnetostriction genannt – könnte für empfindliche Sensoren genutzt werden. Die Ursache für dieses Anschwellen fanden die Forscher im Detail allerdings noch nicht.

„Unsere Entdeckung ändert das Verständnis für diesen speziellen Effekt des Magnetismus“, sagt Harsh Deep Chopra von der Temple University in Philadelphia. Zusammen mit seinem Kollegen Manfred Wuttig von der University of Maryland in College Park erhitzte er eine Eisen-Gallium-Legierung zuerst auf 760 Grad Celsius und kühlte es danach rasch auf Raumtemperatur ab. Fünf Millimeter große Plättchen aus diesem Material setzten die beiden Forscher einem Magnetfeld von bis zu 3000 Oersted aus. Dabei dehnte es sich in alle Richtungen um bis zu einem Mikrometer aus.

Ohne äußeres Magnetfeld schrumpfte die Legierung wieder auf seine ursprünglichen Maße. Dabei ließ sich – ungewöhnlich für magnetische Materialien – keine Hysterese beobachten. Ansatzweise ließ sich diese isotrope Ausdehnung über die periodische Anordnung magnetischer Zellen im Kristallverbund erklären. Anders als bei anderen magnetischen Materialien waren diese nicht nur in eine Richtung, sondern zueinander verdreht entlang mehrerer Achsen ausgerichtet. So konnte ein äußeres Magnetfeld eine Ausdehnung des Materials verursachen.

Um eine Volumenänderung zu erklären, vermuten Chopra und Wuttig, dass sich die Kristallstruktur in ihrer Eisen-Gallium-Legierung in einem Magnetfeld reversibel ändern müsste. Die Ursache für diese Neuanordnung im Kristall als auch die zueinander versetzte Anordnung der magnetischen Zellen konnten sie bisher allerdings noch nicht ausmachen. Weitere Arbeiten könnten diese Wissenslücke stopfen und zu einem besseren Verständnis dieses magnetischen Effekts führen.

Doch so klein das Aufblähen dieser speziellen magnetischen Legierung sein mag, könnte es in Zukunft für hoch empfindliche Magnetfeld-Sensoren genutzt werden. Chopra und Wuttig halten auch die Entwicklung kleiner Aktuatoren für möglich. Von Vorteil könnte dabei die einfache Zusammensetzung der neuen Legierung sein, die im Unterschied zu bisher genutzten Materialien ohne Anteile an teuren Seltenen Erden auskommt.

Jan Oliver Löfken

OD