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Montag, 05.12.2016
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Nano-Magnete imitieren Dampf, Wasser und Eis

Temperaturabhängige Phasenübergänge in magnetischem Metamaterial

Ein neuartiges Metamaterial aus einer Milliarde Nanomagneten verhält sich wie Wasser: So wie Wasserdampf kondensiert und schließlich zu Eiskristallen gefriert, so steigt auch die Ordnung der Magnete im Material. Wissenschaftler aus der Schweiz erzielten diesen Effekt mit der besonderen Anordnung der Nanomagnete: Sie sind "geometrisch frustriert", erläutern die Forscher im Journal "Nature Communications". Mit diesem Material sind neue Möglichkeiten zur Informationsübertragung in der Elektronik und Spintronik denkbar.
Die Nanomagnete ordnen sich bei verschiedenen Temperaturen in deutlich verschiedenen Zuständen an - ähnlich wie Moleküle im Eis geordneter sind als im Wasser und darin wiederum geordneter als im Dampf.

Die Nanomagnete ordnen sich bei verschiedenen Temperaturen in deutlich verschiedenen Zuständen an - ähnlich wie Moleküle im Eis geordneter sind als im Wasser und darin wiederum geordneter als im Dampf.

Metamaterialen ermöglichen oft verblüffende Effekte: Licht lässt sich damit beispielsweise so manipulieren, dass Gegenstände unsichtbar werden. Auch Magnetfelder lassen sich damit wie durch ein Wurmloch weiterleiten. Einen weiteren ungewöhnlichen Effekt haben Wissenschaftler um Laura Heydermann vom Paul Scherrer Institut in Villigen in der Schweiz nun beobachtet: Die magnetischen Eigenschaften des von ihnen hergestellten Metamaterials verändern sich mit der Temperatur.

Frustrierte Magnete stoßen sich ab


Heydermann und Kollegen verwendeten für ihr völlig neues Material eine Milliarde winziger Magnete. Diese sehen aus wie Reiskörner, sind aber nur 63 Nanometer lang. Die Forscher ordneten diese Nanomagnete in einem sechseckigen Wabenmuster an. Das fertige Material nimmt eine Fläche von nur fünf mal fünf Millimetern ein.

Das Besondere an der Sechseck-Anordnung: Die einzelnen Magnete sind "geometrisch frustriert". Das bedeutet, egal wie sie sich ausrichten – es gibt keine energieärmste Konfiguration, in der alle Nanomagnete mit Nordpol auf Südpol aufeinander passen. Irgendwo stoßen sich immer zwei gleiche Pole ab.


Abkühlung bringt Ordnung


Dadurch ergibt sich ein bemerkenswertes magnetisches Verhalten: Bei Raumtemperatur zeigen die Magnete wild durcheinander, magnetische Nord- und Südpole sind völlig beliebig ausgerichtet. Beim Abkühlen des Materials tritt unterhalb einer bestimmten Temperatur jedoch plötzlich ein gewisses Maß an Ordnung auf: Die winzigen Magnete beachten einander stärker als zuvor und beeinflussen sich in ihrer Ausrichtung gegenseitig.

Noch stärker gekühlt erhöht sich die Ordnung schließlich um einen weiteren Schritt und wirkt fast wie eingefroren. Mit der geänderten Ordnung wechseln auch die magnetischen Eigenschaften des Materials. "Wir waren überrascht und begeistert", erklärt Studienleiterin Heyderman. "Denn nur komplexe Systeme können Phasenübergänge aufweisen."

Phasenübergänge wie beim Wasser


Dieses Verhalten des Metamaterials erinnert stark an Wasserdampf beim Kondensieren: Im Dampf selbst bewegen sich die Wassermoleküle nahezu ohne jede Ordnung. Kondensieren sie jedoch zu flüssigem Wasser, so gehen sie Wechselwirkungen miteinander ein und bilden sogar kurzlebige Strukturen aus. Gefriert das Wasser schließlich zu Eis, so bildet sich ein hochgradig geordneter Kristall. "Dass auch unser künstliches Material dieses ganz alltägliche Phänomen eines Phasenübergangs zeigt, hat uns fasziniert", so Heyderman.

Der große Vorteil des künstlichen Metamaterials ist, dass es sich beinahe beliebig maßschneidern lässt. Während sich die einzelnen Atome in einem natürlichen Material nicht in diesem großen Stil punktgenau neu anordnen lassen, ist mit den Nano-Magneten genau das möglich, so die Forscher.

Maßgeschneiderte Übergänge nach Bedarf


Außerdem ließe sich gezielt Einfluss auf die magnetischen Phasenübergänge nehmen, indem man Größe, Form und Anordnung der Nanomagnete verändert. Dies ermöglicht die neuer Materiezustände mit neuen Anwendungsmöglichkeiten: "Mit maßgeschneiderten Phasenübergängen ließen sich Metamaterialien in Zukunft gezielt für verschiedene Bedürfnisse anpassen", erklärt Heyderman.

So könnten sich solche Materialien beispielsweise in der Informationsübertragung oder als Datenspeicher als nützlich erweisen, oder auch auf Sensoren, die Magnetfelder nachweisen. Ganz allgemein könnten sie in der Spintronik zum Einsatz kommen, also in einer zukunftsträchtigen Weiterentwicklung der Elektronik für neuartige Computertechnik. (Nature Communications, 2015; doi: 10.1038/ncomms9278)
(Paul Scherrer Institut (PSI), 22.09.2015 - AKR)
 
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