Zwei Welten vereint
Neuer Materialeffekt koppelt erstmals Elektrizität und Magnetismus.
Ganze Industriezweige wie die moderne Mikroelektronik beruhen auf der Wechselwirkung zwischen Materie und Elektromagnetismus. Maßgeschneiderte Materialien verarbeiten und speichern elektromagnetische Signale. Bisher waren in der Materialwissenschaft allerdings die elektrische und die magnetische Welt weitgehend voneinander getrennt. Forscher der TU Wien haben nun in einem Experiment nachgewiesen, dass elektrische Felder die magnetischen Eigenschaften beeinflussen können. Für Technologien im Hochfrequenzbereich entstehen so ganz neue Möglichkeiten.
Abb.: Andrei Pimenov in seinem Labor (Bild: TU Wien).
Dass Elektrizität und Magnetismus eng zusammengehören, ist schon seit langer Zeit klar. Doch bei Materialeigenschaften hatten die beiden Bereiche bisher wenig miteinander zu tun. Ein gewöhnlicher Magnet besitzt zwar ein magnetisches Feld, aber kein elektrisches. In einem piezoelektrischen Kristall hingegen lassen sich elektrische Felder erzeugen, aber keine magnetischen. Beides gleichzeitig schien lange unmöglich. „Die beiden Effekte entstehen normalerweise auf unterschiedliche Art“, erklärt Andrei Pimenov von der TU Wien.
Bereits 2006 entdeckte Pimenov Hinweise darauf, dass es in bestimmten Materialien Anregungen gibt, die sowohl auf elektrischer als auch auf magnetischer Ordnung beruhen. „Elektromagnonen“ nannte man diese Anregungen, die seither in der Materialwissenschaft heiß diskutiert werden. Nun gelang es Pimenov und seinem Team, in einem Material aus Dysprosium, Mangan und Sauerstoff diese Anregungen gezielt mit einem äußeren elektrischen Feld umzuschalten.
Viele einzelne Elektronen in diesem Material richten bei niedrigen Temperaturen ihre magnetischen Momente aneinander aus: Jedes Elektron hat eine magnetische Richtung, die gegenüber der vom Nachbarn ein bisschen verdreht ist. Auf diese Weise bilden sie gemeinsam eine Magnet-Spirale. Diese Spirale kann rechtsherum oder linksherum geführt werden – und genau das lässt sich durch ein elektrisches Feld steuern und umschalten.
In einem magneto-elektrischen Material sind die Ladungen und magnetischen Momente der Atome miteinander verknüpft. In Dysprosium-Mangan-Oxyd ist dieser Effekt besonders stark: „Wenn die magnetischen Momente der Atome wackeln, dann bewegen sich auch deren elektrische Ladungen“, erklärt Pimenov.
Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten zeichnen sich ab, etwa bei Verstärkern, Transistoren oder Datenspeichern. Auch für Sensoren könnten solche Elektromagnonen verwendet werden.
TU Wien / AH
