Magnetische Verwandlung

Magnete kommen in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz: in Stromgeneratoren, bei der Datenspeicherung auf Festplatten oder in Geräten für die medizinische Bildgebung. Permanentmagnete 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.

In einem Forschungsprojekt unter der Leitung der Universität Leeds haben Forscher nun 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 Wissenschaftler auf einem dünnen Kupfer­streifen eine Schicht von Kohlenstoff-60-Molekülen 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.

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. Mit Myonen kann man gezielt den Magnetismus an verschiedenen Stellen im Inneren von Materialien untersuchen. „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.

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.

PSI / U. Leeds / DE