Nano-Magnete imitieren Dampf, Wasser und Eis

  • 21. September 2015

Die Magnet-Eigenschaften eines neuen Metamaterials ändern sich mit der Temperatur.

Ein neues Metamaterial – erschaffen aus einer Milliarde Nanomagnete am Paul-Scherrer-Institut (PSI) – nimmt temperaturabhängig verschiedene Aggregatzustände ein. Ähnlich wie die Übergänge zwischen Dampf, Wasser und Eis zeigt es Phasenübergänge. Diesen Effekt haben Forschende um Laura Heyderman beobachtet. Der große Vorteil solcher künstlicher Metamaterialien: Sie lassen sich beinahe beliebig maßschneidern. Während man die einzelnen Atome in einem natürlichen Material nicht im großen Stil punktgenau neu anordnen kann, sei mit den Nano-Magneten genau das möglich.

Abb.: Die Magnetisierung des künstlichen Meta-Materials nahm bei verschiedenen Temperaturen unterschieldliche Zustände ein - ähnlich wie man das von der Struktur von Wasser und seinen Aggregatszuständen kennt. (Bild: PSI/L. Anghinolfi)

Abb.: Die Magnetisierung des künstlichen Meta-Materials nahm bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Zustände ein – ähnlich wie man das von der Struktur von Wasser und seinen Aggregatszuständen kennt. (Bild: PSI/L. Anghinolfi)

Die einzelnen Magnete haben in etwa die längliche Form eines Reiskorns und sind nur 63 Nanometer lang. Mit einer hochentwickelten Technik platzierten die Forschenden eine Milliarde dieser winzigen Stäbchen als großflächiges Bienenwaben-Muster auf einem flachen Untergrund. Insgesamt bedeckten die Nano-Magnete so eine Fläche von gerade einmal fünf mal fünf Millimetern.

Die Untersuchungen, mit denen die Forschenden die magnetische Ausrichtung der Nano-Magnete und damit die Eigenschaften des Metamaterials messbar machten, lassen sich ausschließlich am PSI durchführen. Die weltweit einmaligen Apparaturen liefern Strahlen aus Myonen, die sich zur Untersuchung nanomagnetischer Eigenschaften nutzen lassen.

Die spezielle Messtechnik eröffnete den Wissenschaftlern den Blick auf das kollektive magnetische Verhalten ihres Metamaterials zunächst bei Raumtemperatur. Hier gab es keine Ordnung in der magnetischen Ausrichtung: Wild durcheinander zeigten magnetische Nord- und Südpole in die eine oder andere Richtung.

Als die Forschenden jedoch langsam und kontinuierlich das Metamaterial kühlten, erreichten sie einen Punkt, an dem eine höhere Ordnung eintrat: Die winzigen Magnete beachteten einander nun stärker als zuvor. Mit weiter sinkender Temperatur kam es nochmals zu einer plötzlichen Änderung hin zu noch höherer Ordnung, die fast wie eingefroren wirkte. Ganz ähnlich erhöht sich die weitreichende Ordnung der Wassermoleküle in dem Moment, in dem Wasser zu Eis wird.

Neben einem Einsatz in der Informationsübertragung könnte das Metamaterial sich auch in der Datenspeicherung als nützlich erweisen; oder auf Sensoren, die Magnetfelder nachweisen. Ganz allgemein könnte es in der Spintronik zum Einsatz kommen, einer zukunftsträchtigen Weiterentwicklung der Elektronik, die den Spin von Elektronen ausnutzt.

PSI / PH

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