Magnetoelektrische Kopplung beleuchtet
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Nanokomposits in der Aufsicht. © Uni Duisburg
Der Effekt führt zu neuen Möglichkeiten der digitalen Datenspeicherung
Es ist möglich, elektrische Eigenschaften von Festkörpern mithilfe von magnetischen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Dies haben Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen in Kooperation mit HZB-Wissenschaftlern aus dem Institut Komplexe Magnetische Materialien nachgewiesen. Der Nachweis gelang mithilfe von Experimenten an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II. Der Effekt – magnetoelektrische Kopplung genannt – kann genutzt werden, um neuartige Computerspeicher zu entwickeln, die sowohl schneller sind als heutige und außerdem weniger Strom verbrauchen. Die Wissenschaftler veröffentlichen ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Communications“.
Dr. Carolin Schmitz-Antoniak aus dem Duisburger Team um Prof. Heiko Wende hat ein Material aus Bariumtitanat verwendet, in das winzige, nur wenige hundert Nanometer große Säulen aus Cobaltferrit eingebettet sind. Dabei zeigen die Nanosäulen magnetostriktive Eigenschaften. Das heißt, bei Anlegen eines Magnetfeldes verformen sie sich unter Erhaltung ihres Volumens. Die umgebende Matrix ist piezoelektrisch. Das heißt, sie baut eine elektrische Spannung auf, wenn sie unter mechanischem Druck steht.
Mit dieser Materialanordnung haben die Wissenschaftler die Nanosäulen durch Anlegen eines Magnetfeldes verformt und so mechanischen Druck auf die Matrix ausgeübt, so dass dort eine elektrische Spannung induziert wurde.
Dass dies gelang, zeigten die Untersuchungen an BESSY II. Sie wurden in Kooperation mit Dr. Detlef Schmitz vom Institut Komplexe Magnetische Materialien durchgeführt. In der Hochfeldkammer am Strahlrohr UE46-PGM1 wurde weiche Röntgenstrahlung verwendet und dabei auch die einzigartige Möglichkeit genutzt, die die Hochfeldkammer bietet: Man kann dort das angelegte Magnetfeld relativ zu der Polarisationsrichtung des verwendeten Röntgenlichts drehen. Unter Ausnutzung der Kombination des sogenannten Zirkulardichroismus und des Lineardichroismus bekamen die Wissenschaftler Informationen über den Magnetismus sowie über die elektrische Polarisation der beteiligten Atome.
Darüber hinaus wurden in Kooperation mit Dr. Esther Dudzik und Dr. Ralf Feyerherm vom selben HZB-Institut Untersuchungen mit harter Röntgenstrahlung am MAGS-Strahlrohr durchgeführt. Die dabei gewonnenen Informationen über die Kristallstruktur bestätigten die Deformation der Matrix durch das angelegte Magnetfeld.
Alle Informationen zusammen gaben dem Forscherteam schließlich ein Bild davon, wie die Steuerung der elektrische Polarisation mit Magnetfeldern funktioniert. Sie beruht auf winzigsten Verschiebungen der Atome in dem Komposit-Material: Legt man entlang der langen Säulenachse ein Magnetfeld an, so ziehen sich die Säulen in dieser Richtung zusammen. Ihr Umfang vergrößert sich dabei, und so drücken sie an allen Seiten auf die umgebende Matrix. Unter dem Druck baut diese eine elektrische Polarisation auf.
Verläuft das Magnetfeld hingegen senkrecht zu den Säulen, ziehen sich diese in Feldrichtung zusammen, während sie sich quer dazu ausdehnen. So wird die Matrix nur quer zum Magnetfeld gestaucht und bildet eine asymmetrische elektrische Polarisationsverteilung aus, die in diesem System zuvor noch niemand beobachtet hat.
Für die digitale Datenspeicherung wird das System dadurch interessant, dass die elektrische Polarisation auch noch erhalten bleibt, wenn das Magnetfeld wieder ausgeschaltet ist. Die Forscher haben deshalb bereits eine Strategie entwickelt, um einzelne Säulen durch Strompulse in Längs- und Querrichtung gezielt zu stauchen, um so Informationen bitweise einzuschreiben.
Zur Publikation: DOI: 10.1038/ncomms3051
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