Mit Elektrizität Magnetismus umschalten

17.01.2018 - Österreich

An der TU Wien gelang ein wichtiger Schritt zur Verbindung von elektrischen und magnetischen Materialeigenschaften – ein Zusammenhang, der für die Elektronik eine wichtige Rolle spielt.

Dass Elektrizität und Magnetismus eng miteinander zusammenhängen, weiß man schon lange. 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 sogenannten Multiferroika, verbinden allerdings beides. Nun gelang es an der TU Wien, magnetische Schwingungen bestimmter eisenhältiger 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.

Elektrische und magnetische Materialien: Zwei verschiedene Welten

In der Festkörperphysik hat man es oft mit Materialeigenschaften zu tun, die sich mit magnetischen oder elektrischen Feldern beeinflussen lassen. Doch normalerweise kann man magnetische und elektrische Effekte getrennt voneinander betrachten, weil sie ganz unterschiedliche Ursachen haben: Magnetische Effekte kommen daher, dass Teilchen eine innere magnetische Richtung haben, den sogenannten 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 Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Er forscht an solchen speziellen Materialien, den „Multiferroika“ bereits seit einigen Jahren. Weltweit gelten Multiferroika heute als vielversprechendes neues Feld in der Festkörperphysik. Interessante Experimente zur Kopplung von magnetischen und elektrischen Effekten gab es bereits, nun gelang es Pimenov und seinem Forschungsteam 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 300 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.

Magnetische Datenspeicher, elektrisches Schreiben

Interessant ist das ganz besonders für künftige Elektronik: „Unsere 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.