Unmögliches möglich machen

Unmögliches möglich machen

Physik-News vom 26.10.2018

Multiferroika gelten als Wundermaterial für künftige Datenspeicher – sofern man ihre besonderen Eigenschaften auch bei den Betriebstemperaturen von Computern erhalten kann. Diese Aufgabe haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI mit Kollegen von Institut Laue-Langevin ILL in Grenoble jetzt gelöst. Damit haben sie das Material einen weiteren Schritt Richtung Praxistauglichkeit gebracht. Vom Einsatz multiferroischer Materialien verspricht man sich energiesparsamere Computer, weil für die magnetische Datenspeicherung ein elektrisches Feld ausreichen würde. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden heute in der Fachzeitschrift Science Advances.

Computer laufen oft im Dauerbetrieb und verbrauchen dabei viele Kilowattstunden Strom pro Jahr. Einen Grossteil davon verwenden sie zur Datensicherung. Die Daten werden als magnetische Bits im Zustand 0 oder 1 auf die Festplatten geschrieben, was einer ständigen Umpolung vom Plus zu Minus und umgekehrt entspricht. Diese magnetische Umpolung verbraucht sehr viel Energie und führt zu einer starken Wärmeentwicklung. Deshalb müssen Computer während ihres Betriebs intensiv gekühlt werden.

Dies erfordert viel Strom, verursacht Kosten und ist wenig umweltfreundlich. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem Material, das diesen Nachteil der herkömmlichen Speicherung beseitigt. Seit einigen Jahren sind sogenannte magnetoelektrische Multiferroika als mögliche Alternative ins Interesse der Forschenden gerückt. Bei ihnen erhält man die nötigen magnetischen Funktionen durch Anlegen eines elektrischen statt eines magnetischen Feldes, weil in dem Material beide physikalische Eigenschaften miteinander gekoppelt sind. Dieser Zustand tritt normalerweise nur im Tieftemperaturbereich bei weniger als minus 173 Grad Celsius auf und verliert sich bei Alltagstemperaturen wieder.


Das mattgraue Pellet ist ein sogenannter geschichteter Kupfer-Eisen-Perowskit, ein Kristall. Es hat auf einer Fingerspitze Platz.

Publikation:


T. Shang, E. Canévet, M. Morin, D. Sheptyakov, M. T. Fernández-Díaz, E. Pomjakushina, and M. Medarde
Design of magnetic spirals in layered perovskites: Extending the stability range far beyond room temperature
Science Advances 4, eaau6386 (2018), 26. Oktober 2018 (online)

DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aau6386



Einer Arbeitsgruppe am PSI ist es bereits vor zwei Jahren gelungen, die Temperaturgrenze nach oben auf 37 Grad Celsius zu verschieben. Das war ein grosser Fortschritt, doch immer noch zu wenig, um an einen Einsatz in Laptops und anderen, sich stark erhitzenden Datenspeichern zu denken. Jetzt haben es die PSI-Forschenden Marisa Medarde und Tian Shang geschafft, ein magnetoelektrisches, multiferroisches Material so zu stabilisieren, dass es die wichtigen magnetischen Eigenschaften dauerhaft auch bei 100 Grad Celsius noch behält. "Diese Temperatur ist mehr als 60 Grad Celsius höher als bisher möglich", freut sich Medarde. "Es ist zwar noch viel Forschungsarbeit erforderlich, doch wir haben uns einem möglichen Einsatz in Computern wieder ein Stück genähert."

Zwei in einem

Die noch relativ junge Materialklasse der magnetoelektrischen Multiferroika besteht aus verschiedenen Gemischen von chemischen Elementen. Ihnen ist eines gemeinsam: Sie enthalten gleichzeitig kleine Magnete und eine Kombination aus positiven und negativen elektrischen Ladungen, einen sogenannten elektrischen Dipol. Elektrische Dipole lassen sich normalerweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes beeinflussen, die kleinen Magnete durch Anlegen eines magnetischen Feldes. Bei einem multiferroischen Material genügt ein elektrisches Feld für beides. In der Praxis lassen sich elektrische Felder viel einfacher und kostengünstiger erzeugen. Sie verbrauchen viel weniger Strom. Das macht die magnetoelektrischen Multiferroika aus ökonomischer Perspektive so interessant.


Marisa Medarde und Tian Shang am Neutronendiffraktometer DMC am PSI.

Doch wie erreicht man das Unmögliche? In seinem Labor am PSI zeigt Physiker Shang auf verschiedene graue, weisse und gelbe Kristallpulver, die er für seine Versuche in einem Laborofen erhitzt: "Wir verwenden hier Barium, Kupfer, Eisen und Seltene Erden und erhitzen sie zwei Tage lang bis auf über 1100 Grad Celsius. Dann kühlen wir die Pulver langsam auf Raumtemperatur, pressen sie zu Pellets und erhitzen sie nochmals 50 Stunden. Anschliessend werden sie in flüssigem Stickstoff schlagartig abgekühlt." Das mattgraue Pellet, welches bei dieser Prozedur entsteht, ist ein sogenannter geschichteter Kupfer-Eisen-Perowskit, ein Kristall. Er hat auf einer Fingerkuppe Platz und sieht rein äusserlich wenig spektakulär aus.

Frustrierte Magnete

Das Besondere an dem Material spielt sich auf der nicht sichtbaren Ebene der Atome ab, genauer gesagt: in seiner Kristallgitterstruktur. Die muss man sich vorstellen wie mehrere aufeinandergestapelte Gitterkäfige, an deren Ecken Barium- und Yttrium-Atome sitzen. Die Lage der verschiedenen Atome ist durch die Gitterstruktur festgelegt. Im Inneren der Käfige befinden sich kleine Magnete aus Kupfer und Eisen. Zwischen den einzelnen Magneten wirken elektromagnetische Kräfte, welche seine Orientierung festlegen. Normalerweise richten sich zwei Magnete parallel oder entgegengesetzt zueinander aus. Es kann aber passieren, dass die magnetischen Kräfte aus ganz verschiedenen Richtungen wirken. Dann pendeln die Magnete wie kleine Kompassnadeln. Diese nennt man in der Fachsprache frustrierte Magnete.

Um diesen instabilen Zustand zu vermeiden und trotzdem den Magnetismus zu erhalten, ordnen sich die Kupfer-Eisen-Magnete in dem vielversprechenden Material zu einer Spirale. Vergrössert würde das aussehen wie viele übereinandergelegte Kompassnadeln, die jeweils in eine Richtung um ein kleines Stück verdreht sind.

"Diese Spiralform kann eine elektrische Polarisation bewirken und damit für die ferroelektrischen Eigenschaften in dem Material verantwortlich sein", erklärt Medarde. Wenn die Magnete also spiralförmig angeordnet sind, induzieren sie in dem Gitter elektrische Dipole und das Material bekommt beide, aneinander gekoppelte Eigenschaften – elektrische und magnetische. Bei Normaltemperaturen verlieren die Kompassnadeln ihre spiralförmige Anordnung, wodurch auch die gekoppelten multiferroischen Eigenschaften verschwinden. Dass man durch sehr schnelle Abkühlung die Magnetspiralen in dem Material "einfrieren" kann, hatten Medarde und ihre Gruppe bereits in einer früheren Arbeit gezeigt. In ihrer neuesten Forschung haben sich Medarde und Shang nun dem Feintuning des multiferroischen Kristallgitters angenommen. Mit mikroskopisch kleinen Anpassungen ist es ihnen gelungen, dessen Temperaturstabilität bis auf 100 Grad Celsius anzuheben.



Nähe schafft Stärke

Dafür hat Shang das Material nicht nur extrem schnell abgekühlt, sondern zusätzlich zu einem Trick gegriffen, den Chemiker schon lange kennen: Er verkleinerte einfach die Abstände zwischen einigen Atomen in dem Kristallgitter, wodurch sie näher zueinander rückten. Infolge der nun kompakteren Bauweise änderten sich die elektromagnetischen Kräfte in dem Kristall derart, dass die Spiralstruktur des Kupfer-Eisen-Magneten auch bei höheren Temperaturen noch stabil blieb. Shang erreichte dies, indem er einige Bariumatome in dem Kristallgitter durch die kleineren Atome des Elements Strontium ersetzte. Das Strontium gab er bei der Herstellung des Materials im Reaktionsofen mit dazu, bevor er es schliesslich auf die bewährte Weise wieder abkühlte.

Nun wollte der Physiker wissen, ob die Kombination der zwei Verfahren wirklich den gewünschten Effekt hatte. Shang untersuchte das grauschwarze Material mittels verschiedener Messmethoden, unter anderem in der Neutronenquelle SINQ, einer Grossforschungsanlage am PSI. Mithilfe spezieller Instrumente gelang es ihm, den Fingerabdruck der Magnetspiralen zu identifizieren. Besonders wichtig war für den Forscher ein Instrument mit dem komplizierten Namen Neutronendiffraktometer. Mit diesem Gerät, welches Shang sowohl an der SINQ als auch am Institut Laue-Langevin ILL in Grenoble verwendete, fand er heraus, an welchen Stellen im Kristallgitter die Atome liegen und wie weit sie jeweils voneinander entfernt sind.

"Die schnelle Abkühlung des Materials zusammen mit der Abstandsänderung zwischen den Atomen hat den Effekt summiert. Der Stabilitätsbereich der Magnetspirale liegt jetzt deutlich höher als vorher", sagt Shang. Damit hat er den Temperaturbereich erreicht, den man für den Einsatz in Computern braucht. Dennoch wird es den Physikern zufolge noch eine Weile dauern, bis das Material in den Datenspeichern der Zukunft verwendet werden kann. Hierfür muss es auch in Dünnschichtfilmen funktionieren, wo viel weniger Materialmenge benutzt wird. Medarde und Shang arbeiten bereits daran. Und sie versuchen, den Perowskitkristall noch weiter zusammenzuquetschen, indem sie noch kleinere Atome als Strontium einbauen. Wenn ihnen beides gelingt, stehen die Chancen gut, dass das multiferroische Material einmal die Grundlage sein wird, um die Speichertechnologie zu revolutionieren.

Text: Sabine Goldhahn

Diese Newsmeldung wurde mit Material von idw-online erstellt



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Festkörperphysik - Biophysik
Stärkstes Biomaterial der Welt schlägt Stahl und Spinnenseide
An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III hat ein Forscherteam unter schwedischer Führung das stärkste Biomaterial hergestellt, das je produziert worden ist.
16.05.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Gedruckte »in-situ« Perowskitsolarzellen – ressourcenschonend und lokal produzierbar
Die Photovoltaik (PV) ist eine der Hauptsäulen einer nachhaltigen Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien.
11.05.2018
Festkörperphysik - Teilchenphysik
Physiker haben den Dreh mit den zweidimensionalen Kristallen raus
Regensburger Physiker untersuchen in einem internationalen Team atomar dünne Heterostrukturen
09.05.2018
Festkörperphysik
Licht-induzierte Supraleitung unter hohem Druck
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben die licht-induzierte Supraleitung im Alkali-dotierten Fullerid K3C60 unter hohem, extern angelegtem Druck untersucht.
09.05.2018
Festkörperphysik - Thermodynamik
Vorsicht, Glatteis!
Gleiten auf Eis oder Schnee ist viel einfacher als das Gleiten auf den meisten anderen Oberflächen, dies ist allgemein bekannt.
03.05.2018
Astrophysik - Festkörperphysik
Zwergdünen schreiben Klimageschichte
Bläst der Wind Sandkörner durch die Wüste, entstehen zentimeterkleine Rippel und gewaltige Dünen.
18.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik - Quantenoptik
Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus
Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, USA.
17.04.2018
Festkörperphysik - Plasmaphysik - Teilchenphysik
Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden
Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen.
16.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
Dank der geschickten Kombination neuartiger Technologien lassen sich vielversprechende Materialien für die Elektronik von morgen untersuchen.
16.04.2018
Festkörperphysik
Echtzeit Schichtdickenmessung mit Terahertz
Terahertz ist eine Schlüsseltechnik für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.
11.04.2018
Festkörperphysik
Waldbrände in Kanada sorgen für stärkste jemals gemessene Trübung der Stratosphäre über Europa
Waldbrände können die Sonneneinstrahlung in der oberen Atmosphäre noch stärker trüben als Vulkanausbrüche.
10.04.2018
Festkörperphysik
Neue Methode für Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Molekülen / Atomar definierte Mess-Spitze
Nanowissenschaftler der WWU zeigen nun in einer im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ veröffentlichten Studie, wie die Strukturen organischer Moleküle mit ungeahnter Genauigkeit sichtbar gemacht werden können. Die neue Methode basiert auf der Rasterkraftmikroskopie.
10.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Fraunhofer INT und Fraunhofer Space auf der ILA 2018: Bestrahlungstests und Satellitentechnologie
Auf der ILA 2018 in Berlin präsentiert das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT am Stand 202 in Halle 4 den Nachbau einer Co-60-Bestrahlungsanlage und bestrahlte Materialproben, die den Einfluss von Strahlung auf verschiedene Materialien veranschaulichen.
09.04.2018
Festkörperphysik
Winzige Nanomaschine absolviert erfolgreich Probefahrt
Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums caesar in Bonn haben mit Kollegen aus den USA aus Nanostrukturen eine winzige Maschine konstruiert, die sich auf einem Rad gezielt in eine bestimmte Richtung bewegen kann.
06.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Winzige Strukturen – große Wirkung
Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung
05.04.2018
Festkörperphysik
Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien
Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen
03.04.2018
Festkörperphysik
Deutsch-französisches Forscherteam entdeckt „Anti-aging“ in metallischen Gläsern
Metallische Gläser unterliegen derselben natürlichen Entwicklung wie wir Menschen: sie altern.
03.04.2018
Festkörperphysik - Quantenphysik
Von der Quantenebene zur Autobatterie
Neue Entwicklungen brauchen neue Materialien.
03.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln – 33,3 Prozent Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
29.03.2018
Festkörperphysik
Die Grenzen der Haftung
Konstanzer Physiker können in Kollaboration mit italienischen Fachkollegen zeigen, dass die Haftreibung zwischen Oberflächen völlig verschwinden kann
26.02.2018
Festkörperphysik
Sonnenkonzentrat aus der Folie
Bisher sind es nur Zukunftsvisionen: Farbige Hausfassaden etwa, die auch bei miesem Wetter Sonnenstrom produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können.
11.07.2017
Festkörperphysik
Wie ein Material zum Supraleiter wird: Phänomen der Elektronenpaare beobachtet
Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
30.06.2017
Festkörperphysik
TU Ilmenau und Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickeln neue Waage für das neue Kilogramm
Wenn nächstes Jahr, 2018, das Kilogramm neu definiert wird, werden die Technische Universität Ilmenau und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt die Waage entwickelt haben, die nötig ist, um es zu messen: die Planck-Waage.
30.06.2017
Festkörperphysik
Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
Großes Potenzial für Anwendungen in der gezielten Pharmakotherapie und zur Herstellung maßgeschneiderter Nanoteilchen
23.11.2015
Festkörperphysik - Klassische Mechanik
Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?
Mantelplume setzte das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte in Gang.
30.01.2015
Festkörperphysik - Quantenphysik - Relativitätstheorie
Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.

News der letzten 7 Tage     7 Meldungen


25.11.2020
Astrophysik - Biophysik
Gesund bis zum Mars
Tübinger Wissenschaftlerin untersucht mit internationalem Weltraumforschungsteam die Einflüsse der Raumfahrt auf den menschlichen Körper.
23.11.2020
Galaxien - Milchstraße
Stammbaum der Milchstraße
Galaxien wie die Milchstraße sind durch das Verschmelzen von kleineren Vorgängergalaxien entstanden.
23.11.2020
Quantenphysik
Nanodiamanten vollständig integriert kontrollieren
Physikerinnen und Physikern ist es gelungen, Nanodiamanten vollständig in nanophotonischen Schaltkreisen zu integrieren und gleichzeitig mehrere dieser Nanodiamanten optisch zu adressieren. Die Studie schafft Grundlagen für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quantensensorik oder Quanteninformationsverarbeitung.
25.11.2020
Sterne - Teilchenphysik
Der Sonne ein Stück näher
Der Borexino-Kollaboration, an der auch Wissenschaftler der TU Dresden beteiligt sind, ist es nach über 80 Jahren gelungen, den Bethe-Weizsäcker-Zyklus experimentell zu bestätigen.
19.11.2020
Sterne - Astrophysik - Physikgeschichte
Entfernungen von Sternen
1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe - und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.
19.11.2020
Plasmaphysik - Quantenoptik
Was Sterne zum Leuchten bringt
Internationales Forschungsteam der Universitäten in Berkeley, Madrid und Jena sowie des Institut Polytechnique de Paris beobachtet in Laborversuchen nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen.
19.11.2020
Elektrodynamik - Teilchenphysik
Einbahnstraße für Elektronen
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat experimentell beobachtet, dass konischen Durchschneidungen - ein quantenmechanisches Phänomen - für einen ultraschnellen, gerichteten Energietransport zwischen benachbarten Molekülen eines Nanomaterials sorgen.