Neuer magnetoelektrischer Effekt entdeckt

Auf sehr ungewöhnliche Weise sind elektrische und magnetische Eigenschaften eines bestimmten Kristalls miteinander verbunden – an der TU Wien wurde das Phänomen entdeckt und erklärt.

Elektrizität und Magnetismus hängen eng miteinander zusammen: Stromleitungen erzeugen ein Magnetfeld, rotierende Magnete in einem Generator erzeugen Strom. Viel komplizierter ist aber das Phänomen, dass auch elektrische und magnetische Eigenschaften bestimmter Materialien miteinander gekoppelt sind. Elektrische Eigenschaften mancher Kristalle kann man durch Magnetfelder beeinflussen – und umgekehrt. Man spricht in diesem Fall von einem „magnetoelektrischen Effekt“. Er spielt eine wichtige technologische Rolle, etwa für bestimmte Sensoren, oder auch für die Suche nach neuen Konzepten der Datenspeicherung.

An der TU Wien untersuchte man nun ein spezielles Material, bei dem man auf den ersten Blick eigentlich überhaupt keinen magnetoelektrischen Effekt erwarten würde. Doch sorgfältige Experimente ergaben: Der Effekt lässt sich auch dort finden, er funktioniert allerdings völlig anders als sonst. Und genau deshalb lässt er sich auf hochsensitive Weise steuern: Bereits kleine Änderungen der Magnetfeld-Richtung können die elektrischen Eigenschaften des Materials in einen völlig anderen Zustand schalten.

Auf die Symmetrie kommt es an

„Ob die elektrischen und magnetischen Eigenschaften eines Kristalls miteinander gekoppelt sind, hängt von seiner inneren Symmetrie ab“, sagt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Wenn der Kristall einen hohen Grad an Symmetrie hat, wenn zum Beispiel die eine Seite des Kristalls genau das Spiegelbild der anderen Seite ist, dann kann es schon aus theoretischen Gründen keinen magnetoelektrischen Effekt geben.“

Das könnte man bei oberflächlicher Betrachtung auch von dem Kristall erwarten, der nun an der TU Wien genau untersucht wurde – ein sogenannter Langasit aus Lanthan, Gallium, Silizium und Sauerstoff, mit zusätzlich eingebauten Holmium-Atomen. „Die Kristallstruktur ist so symmetrisch, dass sie eigentlich keinen magnetoelektrischen Effekt erlauben sollte. Und bei schwachen Magnetfeldern ist tatsächlich keinerlei Kopplung mit den elektrischen Eigenschaften des Kristalls festzustellen“, sagt Andrei Pimenov. „Doch wenn man die Stärke des Magnetfelds erhöht, geschieht etwas Bemerkenswertes: Die Holmium Atome ändern ihren Quantenzustand und bilden ein magnetisches Moment aus. Dadurch wird die innere Symmetrie des Kristalls gebrochen.“

Rein geometrisch betrachtet ist der Kristall noch immer symmetrisch, doch man muss auch den Magnetismus der Atome mitberücksichtigen, und der zerstört die Symmetrie. Deshalb kann nun die elektrische Polarisation des Kristalls mit einem Magnetfeld verändert werden. „Von einer Polarisation spricht man, wenn die positiven und negativen Ladungen im Kristall ein bisschen gegeneinander verschoben werden“, erklärt Pimenov. „Mit einem elektrischen Feld wäre das einfach zu erreichen – aber durch den magnetoelektrischen Effekt ist das auch mit einem magnetischen Feld möglich.“

Entscheidend: Nicht die Stärke, sondern die Richtung des Magnetfelds

Je stärker das Magnetfeld, umso stärker seine Auswirkung auf die elektrische Polarisation. „Der Zusammenhang zwischen Polarisation und Magnetfeldstärke ist ungefähr linear, das ist nichts Ungewöhnliches“, sagt Andrei Pimenov. „Bemerkenswert ist allerdings: Der Zusammenhang zwischen der Polarisation und der Richtung des Magnetfelds ist stark nichtlinear. Wenn man die Richtung des Magnetfelds ein kleines bisschen dreht, kann die Polarisation völlig umkippen. Das ist eine neue Form des magnetoelektrischen Effekts, die man bisher noch nicht kannte.“ Eine einfache kleine Drehung entscheidet also darüber, ob das Magnetfeld die elektrische Polarisation des Kristalls verändern kann oder nicht.

Möglichkeit für neue Speichertechnologien

„Der magnetoelektrische Effekt wird für verschiedene technologische Anwendungen eine immer größere Rolle spielen“, ist Andrei Pimenov überzeugt. „In einem nächsten Schritt wollen wir versuchen, nicht elektrische Eigenschaften mit einem Magnetfeld zu verändern, sondern magnetische Eigenschaften mit einem elektrischen Feld. Das sollte grundsätzlich genauso möglich sein.“

Wenn das gelingt, wäre das eine vielversprechende neue Möglichkeit, Daten in Festkörpern zu speichern. „In magnetischen Speichern wie Computerfestplatten benötigt man heute magnetische Felder“, erklärt Pimenov. „Sie werden mit magnetischen Spulen erzeugt, das benötigt relativ viel Energie und Zeit. Gäbe es einen direkten Weg, die magnetischen Eigenschaften eines Festkörperspeichers mit einem elektrischen Feld zu schalten, wäre das ein Durchbruch.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Andrei Pimenov
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13723
andrei.pimenov@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

L. Weymann et al., Unusual magnetoelectric effect in paramagnetic rare-earth langasite, npj Quantum Materials volume 5, Article number: 61 (2020).
https://www.nature.com/articles/s41535-020-00263-9

https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/neuer-magnetoelektrischer-effekt-entdeckt/