Magnetismus per Elektrizität umschalten

  • 18. January 2018

Wichtiger Schritt zur Verbindung von elek­trischen und magne­tischen Material­eigen­schaften gelungen.

Elektrizität und Magnetismus sind eng miteinander verbunden. Doch in der Material­wissen­schaft hat man magne­tische und elek­trische Effekte lange Zeit getrennt von­ein­ander beob­achtet: Magne­tische Material­eigen­schaften beein­flusst man normaler­weise mit magne­tischen Feldern, elek­trische Eigen­schaften mit elek­trischer Spannung. Eine spezielle Klasse von Materi­alien, die Multi­ferroika, ver­binden aller­dings beides. Nun gelang es Forschern an der TU Wien, magne­tische Schwin­gungen bestimmter eisen­haltiger Materi­alien mit Hilfe elek­trischer Felder zu kontrol­lieren. Viel­ver­sprechende Möglich­keiten eröffnen sich damit für die Computer­technik, wo Daten in Form elek­trischer Signale über­tragen aber magne­tisch abge­speichert werden.

Magnetismus per Elektrizität umschalten

Abb.: Eine Herausforderung: Zwischen magne­tischen Speichern und elek­trischen Schreib­signalen richtig zu ver­mitteln. (Bild: J. Lista­barth, TU Wien)

Magnetische Effekte kommen daher, dass Teilchen eine innere magne­tische Richtung haben, den Spin. Elek­trische Effekte hin­gegen haben damit zu tun, dass es positive und negative Ladungen im Material gibt, die sich räum­lich zuein­ander ver­schieben können. „Bei Materi­alien mit ganz bestimmten räum­lichen Symme­trien kann man aller­dings beides mit­ein­ander ver­knüpfen“, erklärt Andrei Pimenov von der TU Wien. Er forscht bereits seit einigen Jahren über Multi­ferroika. Inte­res­sante Experi­mente zur Kopplung von magne­tischen und elek­trischen Effekten gab es bereits. Jetzt gelang es Pimenov und seinem Team erst­mals, hoch­frequente magne­tische Schwin­gungen eines Materials aus Eisen, Bor und seltenen Erden mit elek­trischen Feldern zu kontrol­lieren.

„Das Material enthält dreifach positiv geladene Eisen­atome. Sie haben ein magne­tisches Moment, das mit einer Frequenz von drei­hundert Giga­hertz schwingt“, sagt Pimenov. „Dass man solche Schwin­gungen mit einem magne­tischen Feld steuern kann, wäre nahe­liegend. Wir konnten aller­dings zeigen, dass sich diese Schwin­gungen durch ein elek­trisches Feld gezielt vari­ieren lassen.“ Ein dyna­mischer magne­tischer Effekt – ein magne­tischer Schwin­gungs­­zu­stand der Eisen­atome – kann also durch ein statisches elek­trisches Feld ein- oder aus­ge­schaltet werden.

Interessant ist das ganz besonders für künftige Elektronik. „Fest­platten speichern Daten magne­tisch. Es ist aller­dings recht schwer, Daten magne­tisch schnell und präzise zu schreiben“, sagt Pimenov. „Ein elek­trisches Feld punkt­genau anzu­legen, ist viel einfacher, dazu genügt ein simpler Spannungs­puls, das geht sehr schnell und ohne nennens­werte Energie­ver­luste.“ Mit Materi­alien, die magne­tische und elek­trische Effekte koppeln, könnten sich die Vor­teile von magne­tischem Speichern und elek­trischem Schreiben möglicher­weise ver­binden lassen.

TU Wien / RK

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