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Multiferoika: Metalle mit Luft : Das Material für die Technik 4.0

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Molekülmodell eines Multiferroikas: Eisenatom (grün), Aluminumatom (grau), Sauerstoffatom (blau). Der Pfeil gibt die Richtung des magnetischen Moments des Eisenatoms an. Bild: ETH Zürich

Eine neue Werkstoffklasse elektrisiert - die Multiferroika. Metalle mit Sauerstoff. Sie vereinen in sich viele wertvolle Eigenschaften. das eröffnet ungeahnte technische Möglichkeiten.

          Eine Vielzahl technischer Entwicklungen basieren auf der Verfügbarkeit von entsprechenden Materialien. So kannte man zwar seit der Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch Albert Einstein das Funktionsprinzip einer Solarzelle. Aber erst viel später wurden Materialien geschaffen, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln konnten. Moderne Materialien, die als Schlüssel für Zukunftstechnologien gelten, umfassen eine breite Palette. Darunter sind ultraleichte und zugleich hochstabile Kunststoffe, auf Kohlenstoff basierende Substanzen wie Graphen und Nanoröhrchen oder auch Stoffe mit besonderen magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Letztere könnten große Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnik ermöglichen. Zu diesen Materialien zählen die sogenannten Multiferroika - eine Stoffklasse, der erst seit kurzem größere Aufmerksamkeit geschenkt wird.

          Bei den Multiferroika handelt es sich um Verbindungen aus Metallen und Sauerstoff, die wahlweise auf elektrische und magnetische Felder reagieren. Denn im Material liegen sowohl magnetische als auch elektrische Ordnungen vor. Daher ist es möglich, die elektrische Polarisation über magnetische Felder zu schalten - oder umgekehrt die magnetischen Spins über elektrische Felder. Damit sind Multiferroika prädestiniert für Anwendungen in der Datenkommunikation, der Speichertechnik oder in der Sensorik.

          Körberpreis 2015 für Multiferroika-Forscherin

          Die Britin Nicola Spaldin, die seit längerem an der ETH Zürich forscht, widmet sich schon viele Jahre den Multiferroika. Sie hat vor allem theoretische Grundlagen für diese neue Stoffklasse gelegt. Spaldin interessiert sich in erster Linie für die Theorie hinter den Besonderheiten moderner Materialien. Welche Mechanismen stecken hinter den jeweiligen Eigenschaften? Wie kann man sie gezielt hervorrufen? Wie lassen sich Werkstoffe herstellen, die kombinierte multiple Funktionalitäten oder sogar eigentlich konkurrierende Merkmale aufweisen? Für ihre grundlegende Arbeiten ist dieses Jahr mit dem 750.000 Euro dotierten Körperpreis ausgezeichnet worden.

          Körberpreis 2015 für die britische Chemikerin Nicola Spaldin

          Multiferroika finden sich vor allem in der Substanzklasse der Perowskite, die sich strukturell von der Verbindung Kalziumtitanat ableiten. Die Wissenschaftler um Spaldin haben kürzlich untersucht, wie in der verwandten Substanz Kalziummanganat multiferroisches Verhalten gezielt hervorgerufen und verstärkt werden kann. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass man dazu im Kristallgitter des Manganats bestimmte Defekte erzeugen muss. Das gelingt, wenn man das Manganat unter besonderen Bedingungen herstellt, etwa indem man es als dünnen Film auf einer speziell orientierten Unterlage heranwachsen lässt. Diese Unterlage gibt die Wachstumsrichtung der Kristalle vor - ähnlich wie die Orientierung von Legosteinen auf einer Grundplatte. Wählt man das Substrat so, dass die Manganatkristalle nicht exakt passen, steht die heranwachsende Kristallschicht unter Spannung und reagiert mit einer geringfügigen Strukturveränderung, die die Dehnung oder Stauchung ausgleicht. Die Schweizer Chemiker konnten zeigen, dass vor allem eine Dehnung des Manganats dazu führt, dass die Substanz multiferroisches Verhalten zeigt.

          Multiferroika schlagen Brücke zur Kosmologie

          In weiteren Versuchen haben die Forscher den Mechanismus hinter diesem Verhalten genauer untersucht. Berechnungen ergaben, dass infolge der Dehnung Sauerstoff-Fehlstellen entstehen, die regelmäßig im Kristall verteilt sind. Grundsätzlich gibt es für die Sauerstoffatome im Kristall zwei verschiedene Positionen, wie Spaldin und ihre Kollegen in der Zeitschrift „Physical Review B“ (Bd. 88, Nr. 054111) berichten. Im gedehnten Material ist eine der Positionen energetisch erheblich günstiger für die Bildung von Fehlstellen. Offenbar begünstigen fehlende Sauerstoffatome in diesen Positionen das gewünschte Verhalten.

          Andere Arbeiten der Forschungsgruppe von Spaldin schlagen eine Brücke zur Kosmologie. So gibt es multiferroische Materialien, mit denen man Theorien über die Entwicklung des Universums nach dem Urknall überprüfen kann. In der Substanz Yttriummanganit etwa treten spezielle Strukturänderungen auf, wenn man sie erhitzt oder abkühlt. Bei diesen Phasenübergängen ordnen sich die elektrischen Ladungen im Material anders an als im ursprünglich Zustand. Dieser Vorgang, so fanden die Wissenschaftler heraus, folgt den gleichen Gesetzmäßigkeiten, die auch in der frühen Entwicklung des Universums eine Rolle gespielt haben („Physical Review X“, Bd. 2, Nr. 041022).

          Alles eine Frage der Symmetrie

          Kurz nach dem Urknall gab es nach heutiger Vorstellung einen hochsymmetrischen Zustand, aus dem heraus die Materie und die vier grundlegenden Wechselwirkungen entstanden sind. Eine Theorie besagt, dass diese spontane Symmetriebrechung dazu führte, dass sich punktuelle Störungen oder Löcher in der ansonsten gleichmäßigen Struktur des Universums bildeten. Die Gesetzmäßigkeiten für diesen Vorgang haben die beiden Forscher Tom Kibble und Wojciech Zurek beschrieben.

          Die ETH-Chemiker haben Proben von Yttriummanganit zunächst erhitzt und dann unterschiedlich rasch abgekühlt. Dabei traten Phasenübergänge auf, in denen sich die elektrischen Ladungen umsortierten. Die Proben wurden mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht, mit dem man die einzelnen ferroelektrischen Domänen im Kristall erkennen konnte. Jeder Schnittpunkt, an dem mindestens drei verschiedene Domänen zusammentrafen, entsprach einem Defekt.

          Die Forscher konnten zeigen, dass die Anzahl der Defekte von der Abkühltemperatur abhängt und mit dem Kibble-Zurek-Gesetz übereinstimmt. So eröffnen Multiferroika nicht nur einen Weg zu neuen High-Tech Anwendungen, sondern bieten auch einen Zugang, alternative Entwicklungsmöglichkeiten des Universums nach dem Urknall zu untersuchen.

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