26.02.2020 • Materialwissenschaften

Neuartiges Material für Informations-Technologien

Abrupte Änderung der elektronischen Eigenschaften bei Abkühlung auf zwei Grad Celsius.

Forscher der Uni Bayreuth haben ein ungewöhn­liches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristall­struktur und seine elektro­nischen Eigen­schaften abrupt und signi­fi­kant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisen­atomen mithilfe von Licht­strahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hoch­interes­sante Anwendungs­möglich­keiten im Bereich der Informa­tions­techno­logien.

Abb.: Jeweils zwei Eisenionen teilen sich ein Elektron, wodurch sie ein Paar...
Abb.: Jeweils zwei Eisenionen teilen sich ein Elektron, wodurch sie ein Paar bilden. Mit Lichtstrahlen (rot) können diese Ionen so bearbeitet werden, dass sich diese Bindung lockert und der atomare Abstand zwischen ihnen wächst. (Bild: S. V. Ovsyannikov, U. Bayreuth)

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisen­oxid mit der Zusammen­setzung Fe₅O₆. In einem Hoch­druck­labor des Bayerischen Geo­instituts, einem Forschungs­zentrum der Uni Bayreuth, haben es die Forscher bei einem Druck von 15 Giga­pascal herge­stellt. Sinkt nun die Temperatur auf zwei Grad Celsius, tritt ein plötz­licher Struktur­wechsel auf: Eisen­ionen, die bei höherer Temperatur in langen Ketten anein­ander­gereiht sind, ordnen sich statt­dessen paar­weise an. Jeweils zwei Eisen­ionen bilden eine Bindung zwischen sich aus, die durch ein Elektron vermittelt wird.

In diese neue Kristallstruktur können Licht­strahlen von außen gezielt ein­greifen. Falls sie eine geeignete Wellen­länge haben, sind sie in der Lage, die zwischen zwei Eisen­ionen bestehende Bindung zu lösen: Das Ionen­paar zerbricht. Infolge­dessen geraten die einzelnen Eisen­ionen in Bewegung, so dass sich ihr Abstand und ihr physika­lischer Zustand ändern. „Diese gezielte Beein­flussung von Atom­abständen bei einer Temperatur, die sich leicht realisieren lässt, hat ein hoch­interes­santes Anwendungs­potenzial im IT-Bereich. Sie lässt sich beispiels­weise in Quanten­computern, für Speicher­elemente mit einer Größe von nur wenigen Nano­­metern oder für ebenso winzige Schalter nutzen“, erklärt Sergey Ovsyannikov vom BGI.

Die Synthese und die Untersuchung des Eisen­oxids Fe₅O₆ sind von grund­legender Bedeutung, wenn es darum geht, die Zusammen­hänge zwischen der Kristall­struktur von Eisen­oxiden und ihren physika­lischen Eigen­schaften aufzu­klären. Der Abstand zwischen den Eisen­ionen, die bei einer normalen Umgebungs­temperatur ketten­förmig anein­ander­gereiht sind, hat einen entschei­denden Einfluss darauf, bei welcher tieferen Temperatur eine plötz­liche Struktur­änderung auftritt und welche neuen Eigen­schaften daraus resultieren.

U. Bayreuth / RK

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