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Physiker enträtseln Funktionsweise von Multiferroika

Physik. - Multiferroika sind sowohl dauermagnetisch als auch dauerhaft elektrisch geladen. Das macht sie interessant für den Einsatz in Speicherbausteinen der Informationstechnologie. In "Science" berichten Physiker jetzt, dass sie das Funktionsprinzip dieser Stoffe entschlüsselt haben.

Von Frank Grotelüschen

Mit Multiferroika als Speicher ginge es noch kleiner auf der Computerplatine zu (Stock.XCHNG / Michal A. Valasek)
Mit Multiferroika als Speicher ginge es noch kleiner auf der Computerplatine zu (Stock.XCHNG / Michal A. Valasek)
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Es ist eine Materialklasse, die die Physiker im wahrsten Sinne des Wortes elektrisiert: Multiferroika sind magnetisch und elektrisch zugleich, und zwar dauerhaft. Und genau das macht sie zu heißen Kandidaten für lukrative technische Anwendungen, glaubt Helen Walker, Physikerin an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle in Grenoble, kurz ESRF.

"Ein Beispiel wäre ein neuartiger elektronischer Computerspeicher, bestehend aus einem Multiferroikum. Bei ihm würde es ausreichen, einfach eine elektrischen Spannung anzulegen, um die Daten speichern zu können. Das wäre viel schneller und stromsparender als mit den magnetischen Schreibköpfen, mit denen man heute die Daten auf eine Festplatte sichert."

Außerdem könnten die neuen Materialien auch für den Arbeitsspeicher eines Rechners taugen. Die Hoffnung: Ein Speicherchip aus einem Multiferroikum könnte mehr Daten fassen und würde sich weniger stark aufheizen als die heutigen Exemplare. Doch bevor man so etwas bauen kann, müssen die Physiker noch grundlegende Fragen klären: Wie kommt die dauerhafte elektrische Aufladung überhaupt zustande? Wandern elektrische Ladungen innerhalb des Materials hin und her und bauen so die Spannung auf? Die Antwort sollte ein Experiment an der ESRF liefern. Hier erzeugt ein Teilchenbeschleuniger einen ungeheuer intensiven und gebündelten Röntgenstrahl. Walker:

"Mit dem starken Röntgenstrahl haben wir unsere Probe bestrahlt, einen kleinen, grauen Kristall, bestehend aus den Elementen Terbium, Mangan und Sauerstoff. Die Atome des Kristalls lenkten die Röntgenstrahlen ab, was wir mit speziellen Kameras messen konnten. Das Besondere an unserem Experiment: Wir konnten sowohl die Röntgensignale messen, die durch die magnetischen Kräfte im Kristall verursacht wurden als auch jene Signale, die von seinem elektrischen Feld herrührten."

Dann machten sich die Forscher an die Analyse. Das Ergebnis: Es sind keine herumwandernden Ladungen, die den Kristall dauerhaft elektrisch machen, die ihn, wie Helen Walker es nennt, elektrisch polarisieren.

"Die elektrische Polarisierung kommt dadurch zustande, dass sich bestimmte Atome im Kristall ein wenig aus ihrer ursprünglichen Position entfernen. Dadurch verschieben sich auch die elektrischen Ladungen. Und als Folge davon baut sich im Kristall eine dauerhafte elektrische Spannung auf."

Die Verschiebungen entstehen letztlich durch die magnetischen Kräfte, die im Kristall herrschen. Allerdings sind sie extrem winzig. So winzig, dass die Forscher selbst überrascht waren, sie überhaupt messen zu können.

"Wir konnten sehen, dass die Atome nur um 20 Femtometer aus ihrer Position verschoben waren. 20 Femtometer – das ist ungefähr ein Hunderttausendstel eines Nanometers, eines Milliardstel Meters – also viel weniger, als die Atome selbst messen."

Die Atome sind nur leicht verschoben – etwa so, als würde man einen Medizinball buchstäblich um Haaresbreite aus seiner Position rollen. Bis man aus den Multiferroika dann aber Festplatten und Speicherchips bauen kann, wird es noch ein Weilchen dauern, sagt Helen Walker. Denn:

"Das Material, das wir bei unserem Experiment untersucht haben, taugt wohl kaum für den technischen Einsatz. Es funktioniert nämlich nur bei Temperaturen unter minus 250 Grad Celsius. Aber wir hoffen, dass sich unsere Ergebnisse auch auf andere Materialien übertragen lassen und dass es dann möglich ist, einen Werkstoff zu designen, der auch bei Raumtemperatur funktioniert."

Was natürlich die Voraussetzung wäre für die Praxistauglichkeit. Denn wer will seinen Rechner schon bei minus 250 Grad Celsius betreiben?

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