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Mit dünnen Schichten aus Kohlenstoff-Molekülen verwandeln Forscher erstmals nicht magnetische Metalle wie Kupfer und Mangan in Magnete – Anwendungen für Quantencomputer, Medizin und Industrie möglich
Eisen, Kobalt, Nickel – nur diese drei Metalle sind in reiner Form und bei Raumtemperatur magnetisch, genauer gesagt ferromagnetisch. Auch in allen industriell für Permanentmagnete genutzte Legierungen mit den begehrten Seltenen Erden sind diese drei Metalle enthalten. In Zukunft könnte sich das drastisch ändern. Denn eine Gruppe britischer, amerikanischer und schweizerischer Wissenschaftler gelang nun das Kunststück, nicht magnetische Metalle wie Kupfer und Mangan in Magnete zu verwandeln. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten mit dieser Methode in Zukunft Magnete aus ungiftigen und vor allem günstigeren Substanzen entwickelt werden.
„Wir haben mit dem Zusatz organischer Moleküle überprüft, ob wir eine magnetische Ordnung in nicht-magnetische Metalle erzeugen können“, sagt Oscar Cespedes von der School of Physics and Astronomy an der University of Leeds. Zusammen mit seinen Kollegen gelang ihm diese magnetische Wandlung mit kugelförmigen Molekülen aus 60 Kohlenstoffatomen, den sogenannten Buckyballs oder Fullerenen. Sie dampften nur 10 bis 20 millionstel Millimeter (Nanometer) dünne Buckyball-Schichten auf noch dünnere Lagen aus Kupfer oder Mangan.
Diese Sandwich-Strukturen zeigten an den Grenzflächen zwischen Metall und Kohlenstoff ein überraschendes Verhalten. So wurden bei Raumtemperatur einzelne Elektronen aus ihren angestammten Positionen in der Metallschicht herausgezogen. Dank dieser Bewegung konnten die Elektronen nun dauerhaft einen magnetischen Spin tragen. Die Summe dieser Spins legte die Grundlage für den messbaren Magnetismus der verschiedenen Sandwich-Strukturen. Dicker als 2,5 Nanometer durften die Metallschichten allerdings nicht sein, da dann der Magnetismus wieder verschwand.
Mit diesem Experiment gelang es Cespedes und Kollegen erstmals, bei Raumtemperatur das sogenannte Stoner-Kriterium für Ferromagnete ohne die Elemente Eisen, Kobalt und Nickel zu erfüllen. Dieses nach dem britischen Physiker Edmund Clifton Stoner (1899-1968) benannte Kriterium beschreibt das Verhalten der Elektronen, das für einen Ferromagnetismus nötig ist.
So bahnbrechend diese Versuche für die Grundlagenforschung sind, haben sie allerdings noch einen kleinen Haken. Die Stärke dieser Kupfer- und Mangan-Magnete war noch ausgesprochen klein und konnte nur mit hoch empfindlichen Magnetometern gemessen werden. „Derzeit würde noch keiner dieser Magnete an einem Kühlschrank haften“, gibt Cespedes zu. Aber mit anderen Material-Kombinationen könnten durchaus kräftigere Magnete entwickelt werden, die in Zukunft vielleicht auch die Abhängigkeit der europäischen Industrie von Importen der Seltenen Erden vor allem aus China verringern könnte.
Bis dahin kann sich Cespedes vorstellen, dass sich seine Magnete etwa als medizinische Kontrastmittel oder bald auch den Aufbau von Qubits in Quantencomputer nutzen ließen. „Unser Trick erweitert auf jeden Fall die Anzahl von magnetischen Substanzen aus günstigen, gut verfügbaren und umweltfreundlichen Komponenten“, sagt Cespedes.
