Unmögliches möglich machen

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.

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. 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

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 390 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Tian Shang
Labor für Multiskalen Materialien Experimente und Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 56 65
E-Mail: tian.shang@psi.ch

Dr. Marisa Medarde
Labor für Multiskalen Materialien Experimente
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 32 83
E-Mail: marisa.medarde@psi.ch

Design of magnetic spirals in layered perovskites: Extending the stability range far beyond room temperature
T. Shang, E. Canévet, M. Morin, D. Sheptyakov, M. T. Fernández-Díaz, E. Pomjakushina, and M. Medarde
Science Advances 4, eaau6386 (2018), 26. Oktober 2018 (online)
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aau6386

http://psi.ch/5tGa – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI