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Neues Material hält externes Magnetfeld fest - Max-Planck-Forscher entdecken starke Magnetisierung

Neues Material hält externes Magnetfeld festMax-Planck-Forscher entdecken starke Magnetisierung

Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) in Dresden haben eine neue Legierung konzipiert, die so stark magnetisiert werden kann, wie bislang kein anderes Material.

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Kondensatorbank

Die zuvor nicht-magnetische Verbindung aus Mangan, Platin und Gallium bewahrt auch nach Abschaltung eines externen Magnetfeldes ein starkes inneres Feld. Ihre Messungen führten die Forscher am Hochfeld-Magnetlabor Dresden des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und am High Field Magnet Laboratory (HFML) an der Radboud University in Nijmegen durch.

Die Dresdner MPI-Forscher haben ein neues Material entwickelt, in dem sie eine außerordentlich starke magnetische Wechselwirkung – einen sogenannten „exchange bias“ – nachweisen konnten. Auch nach Abschalten des externen Magnetfeldes konnte eine magnetische Feldstärke von über drei Tesla in dem neuen Material gemessen werden. Ein sehr hoher Wert, wie er beispielsweise von starken Magnetresonanz-Tomographen in der Medizin erreicht wird.

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Materialien via Design
Die am MPI-CPfS berechnete und hergestellte Legierung aus Mangan-Platin-Gallium ist scheinbar unmagnetisch. Das liegt an zwei magnetischen Untergittern, die sich gegenseitig kompensieren. Es handelt sich um eine sogenannte Heuslersche Verbindung. Wie durch einen Tarnmantel geschützt, liegen hier die magnetischen Eigenschaften im Inneren verborgen, während sich um das Material herum kein Magnetfeld detektieren lässt.

Das Design derartiger Materialien am Computer ist ein Forschungsschwerpunkt der Max-Planck-Wissenschaftler: „Das Gute an den Heusler-Verbindungen ist die gute Durchstimmbarkeit; ich kann einzelne Atome so auswählen, dass deren magnetische Momente sich zu null addieren“, sagt Ajaya Nayak, ein junger Gruppenleiter am MPI und Erstautor der Studie.

Um die getarnten magnetischen Eigenschaften ihrer neuen Verbindung besser zu begreifen, nutzten die Max-Planck-Forscher zunächst das Hochfeld-Magnetlabor (HLD) der Dresdner Kollegen am HZDR. In gepulsten Magnetfeldern bis zu 60 Tesla konnten so erste Rückschlüsse auf die magnetische Struktur des neu synthetisierten Materials gezogen werden.

Doch für eine kontrollierte Manipulation dieser Eigenschaften waren weitere Experimente in statischen Magnetfeldern nötig. Vom HLD aus entstand schnell der Kontakt zum HFML in Nijmegen, wo derartige Felder erzeugt werden können. Hier gelang es den Wissenschaftlern schließlich, dem Material ein Magnetfeld von über drei Tesla aufzuprägen. Dazu wurde die Heuslersche Legierung in einem mehr als 20 Tesla starken, statischen Magnetfeld kontrolliert abgekühlt, was schließlich zu einer magnetischen Wechselwirkung im Material führte.

Von der Idee zur Anwendung
Die neuen Ergebnisse sind besonders interessant für die Grundlagenforschung, die sich mit der Synthese neuer Materialien beschäftigt und fundamentale neue Eigenschaften solcher Verbindungen untersucht. Doch auch zu möglichen Anwendungen ist es nur ein kleiner Schritt: So ist es bereits gelungen, eine andere Heusler-Verbindung zu finden, deren magnetischer Phasenübergang sich oberhalb der Raumtemperatur befindet. Das könnte neue magneto-elektronische Bauelemente mit einer ungewöhnlich stabilen Magnetisierung ermöglichen. Schon heute wird ein wesentlich kleinerer „exchange bias“-Effekt in Leseköpfen von Festplatten genutzt.

Hochfeldforschung in Europa
Die Arbeit ist die erste gemeinsame Publikation des 2015 gegründeten European Magnetic Field Laboratory (EMFL) und ist ein Musterbeispiel für die Vorteile einer solchen internationalen Zusammenarbeit. Das EMFL ist eine gemeinsame europäische Organisation des Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL), des Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI-EMFL) in Grenoble und Toulouse und des High Magnetic Field Laboratory (HFML-EMFL) in Nijmegen.

Publikation:
Ajaya K. Nayak, Michael Nicklas, Stanislav Chadov, Panchanana Khuntia, Chandra Shekhar, Adel Kalache, Michael Baenitz, Yurii Skourski, Veerendra K. Guduru, Alessandro Puri, Uli Zeitler, J. M. D. Coey and Claudia Felser: „Design of compensated ferrimagnetic Heusler alloys for giant tunable exchange bias “, in: Nature Materials, im Druck, DOI: 10.1038/NMAT4248.

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