Aus weich mach´ hart

Magnete finden sich in Lautsprechern und Smartphones ebenso wie in Elektro­motoren und Windkraftanlagen. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist ihre Koerzitivität – die Fähigkeit, einer Entmagne­tisierung zu widerstehen. Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke, die Hartmagnete, werden vor allem für Anwendungen benötigt, die einen stabilen Dauermagnetismus erfordern. Diese Hartmagnete sind ein wesentlicher Bestandteil von Technologien für erneuerbare Energien wie Windturbinen und Elektro­motoren. Einfache Magnete scheinen zwar stark zu sein, sind aber bei weitem nicht so hart wie Magnete, die für schwere Aufgaben wie den Einsatz in einem leistungs­starken Elektromotor benötigt werden. Ein Forscherteam der Universität Augsburg hat nun eine verblüffende Methode entdeckt, um einen Weich­magneten in einen Hartmagneten zu verwandeln und somit magnetische Materialien zu verbessern: mithilfe einer moderaten einachsigen Spannung, also eines Drucks, der in eine bestimmten Richtung ausgeübt wird. 

In der Vergangenheit haben Forschende verschiedene Techniken angewandt, um die Koerzitiv­feldstärke ferro­magnetischer Werkstoffe zu erhöhen: Beispielsweise durch Zugabe von seltenen Erden, durch Veränderung der Korngröße, durch Optimierung der magnetischen Anisotropie oder durch Modifi­zierung von Oberflächen und Grenzflächen. Diese Methoden sind jedoch oft mit komplexen Prozessen verbunden und führen zu einer Schwächung des Materials oder höheren Kosten. Die Wissenschaftler an der Universität Augsburg haben nun entdeckt, dass sich die Koerzitiv­feldstärke des Materials CeAgSb₂, das als weicher, quasi-zwei­dimensionaler Ferromagnet klassifiziert wird, durch moderaten Druck entlang einer Achse deutlich erhöhen lässt, sodass es zu einem harten Magneten wird.

„Diese Methode ist verblüffend einfach, wurde aber noch nie zuvor beschrieben“, sagt Postdoc Bin Shen. „Es ist faszinierend, dass ein solch einfacher Ansatz zu einem so verblüffenden Ergebnis führen haben kann.“ Der Schlüssel zu dieser Umwandlung von einem weichen in einen harten Magneten liegt vermutlich in der Einführung von Defekten in das Material, die sich als Folge der uniaxialen Spannung ausbilden. Die Defekte fixieren die magnetischen Domänenwände – die Grenzen zwischen den verschiedenen magnetischen Bereichen des Materials. Dieser Pinning-Effekt erhöht die Koerzitiv­feldstärke des Materials und macht es widerstands­fähiger gegen Ent­magnetisierung.

Es besteht jedoch ein empfindliches Gleichgewicht: Während eine gewisse Anzahl von Defekten notwendig ist, um die Domänenwände zu fixieren und die Koerzitiv­feldstärke zu erhöhen, können zu viele Defekte die magnetische Ordnung des Materials stören. Dies kann die Gesamtstruktur des Magneten schwächen und seine Wirksamkeit beeinträchtigen. Und es kommt nicht nur auf die Anzahl der Defekte an, sondern auch auf die Art der Defekte. Die Forschenden vermuten, dass sie eine ganz besondere Art von Defekt entdeckt haben, der die Domänenwände besonders effektiv fixiert, während andere magnetische Eigen­schaften weitgehend unbeeinflusst bleiben.

„Wir wissen noch nicht genau, welche Art von Defekt wir eingeführt haben“, sagt Anton Jesche, der Leiter der Forschungsgruppe. „Aber was auch immer es ist, es scheint ein ideales Gleichgewicht zwischen der Erhöhung der Koerzitiv­kraft und der Erhaltung der strukturellen Integrität des Materials zu sein. Diese Defekte im Detail zu verstehen, wird ein Schwerpunkt der zukünftigen Forschung sein.“ Die potenziellen Auswirkungen dieser Entdeckung sind enorm. Wenn diese einfache Methode der gerichteten Verspannung auf andere Materialien angewendet werden kann, könnte sie den Weg für eine kostengünstigere und energieeffizientere Produktion von Hartmagneten ebnen und die Abhängigkeit von seltenen Erden und anderen ressourcen­intensiven Verfahren verringern.

U. Augsburg / JOL