Perfekte Umkehr

Wenn es unangenehm laut wird, kommt seit einigen Jahren in Kopfh?rern oder Oberklasselimousinen der ?Antischall? zum Einsatz. Dabei registriert ein Mikrofon die st?renden Ger?usche, und ein Computerchip berechnet daraus die geeigneten Gegenmassnahmen: Schallwellen also, deren Schwingungsphasen denen des Umgebungsschalls genau entgegengesetzt sind. Die Interferenz zwischen den Wellen f¨¹hrt schliesslich dazu, dass die Ger?usche effektiv ausgel?scht werden. Gerne w¨¹rden Physiker und Ingenieure das Prinzip der perfekten Umkehr auch auf andere Technologien anwenden, zum Beispiel auf die magnetische Struktur eines Materials. ETH-Professor Manfred Fiebig und seinen Mitarbeitern am Department Materialwissenschaft in Z¨¹rich ist nun genau das gelungen. Unterst¨¹tzt wurden sie dabei von Wissenschaftlern aus Europa, Japan und Russland. Ihre Ergebnisse werden diese Woche im Fachjournal Nature publiziert.

Magnetisch und elektrisch zugleich

F¨¹r seine Experimente benutzte Fiebigs Team so genannte Multiferroika. Anders als viele andere Materialien, die entweder magnetische oder elektrische Ordnung aufweisen, haben Multiferroika beides: Sie sind magnetisch, aber gleichzeitig auch elektrisch polarisiert und richten sich damit sowohl entlang magnetischer als auch elektrischer Felder aus. Die physikalischen Mechanismen, die innerhalb des Materials f¨¹r die magnetische und elektrische Ordnung sorgen, sind dabei auf subtile Weise miteinander gekoppelt.

Das er?ffnet unter anderem die M?glichkeit, die Magnetisierung nicht, wie sonst ¨¹blich, mit Magnetfeldern, sondern mittels elektrischer Felder zu beeinflussen. ?Das ist viel effizienter, denn um Magnetfelder zu erzeugen braucht man elektrischen Strom, der viel Energie kostet und l?stige Abw?rme erzeugt?, erkl?rt Na?mi Leo, eine ehemalige Doktorandin in Fiebigs Labor. In Computern beispielsweise, in denen st?ndig Daten auf magnetische Festplatten geschrieben werden m¨¹ssen, k?nnten Multiferroika Schl¨¹sselmaterialien f¨¹r bedeutende Energieeinsparungen sein.

Tangram-Formen als Inspiration

An der ETH, die seit Jahren in der Erforschung von Multiferroika international f¨¹hrend ist, dachte man aber gleich noch einen Schritt weiter. ?Ein Material, bei dem man die Magnetisierung mit elektrischen Feldern beeinflussen kann, muss von vorneherein ziemlich kompliziert aufgebaut sein?, sagt Fiebig und veranschaulicht das Prinzip am Beispiel des chinesischen Tangram-Puzzles: Je mehr Teile man zur Verf¨¹gung hat ¨C Dreiecke, Quadrate und ein Parallelogramm ¨C, desto aufwendigere Formen kann man damit legen.

Im Fall der Multiferroika entsprechen die Formen den Symmetrien des Materials, die dessen physikalische Eigenschaften bestimmen. Je komplexer die Symmetrien, umso vielf?ltiger sind wiederum die so genannten Ordnungsparameter, die beschreiben, in welche Richtung in einem Multiferroikum die Magnetisierung zeigt und wie sie an die elektrische Ordnung gekoppelt ist.

Unerwartete Eigenschaften

Wenn nun aber in einem Material die Atome schon so kompliziert angeordnet sind, dann ist es auch sehr wahrscheinlich, dass es noch andere Eigenschaften hat, die man ihm auf den ersten Blick nicht ansieht. ?Wir wollten uns daher nicht auf die altbekannten Ph?nomene beschr?nken, die schon lange erforscht werden, sondern vielmehr schauen, welche n¨¹tzlichen Dinge Multiferroika sonst noch k?nnen?, erkl?rt Fiebig seinen Forschungsansatz: ?Wie k?nnen wir also die Puzzleteile ¨C die Ordnungsparameter ¨C auf andere als die bekannte Weise zusammensetzen und so zu neuen n¨¹tzlichen Eigenschaften gelangen??

Diese Offenheit dem Unerwarteten gegen¨¹ber zahlte sich aus. Fiebig und seine Mitarbeiter fanden schliesslich ein Multiferroikum, bei dem nicht nur wie ¨¹blich die gesamte Magnetisierung einheitlich durch ein angelegtes Feld ausgerichtet wird. Dadurch w¨¹rde n?mlich die magnetisch gespeicherte Information ¨C die Verteilung der positiv und negative magnetisierten Bereiche im Material ¨C ausgel?scht. Vielmehr kehrten sie durch das Feld die Magnetisierung in jedem Bereich des Materials um. Positiv magnetisierte Bereiche wurden in negativ magnetisierte ¨¹berf¨¹hrt und umgekehrt. Die magnetische Information aber, die Verteilung der Bereiche also, blieb dabei erhalten. ?Das ist so, als kehrte man auf einen Schlag jedes Bit auf einer Computer-Festplatte um?, erkl?rt Fiebig. ?Nur machen wir das durch einen einzigen Magnetfeldpuls, w?hrend man normalerweise jedes Bit einzeln umschreiben muss.?

Umpolung auf einen Schlag

Die ETH-Forscher fanden diese magnetische Entsprechung zum Antischall in einem Multiferroikum aus Kobalt, Tellur und Sauerstoff. Dank seiner komplexen Kristallstruktur kann dieses Material nicht nur gleichzeitig magnetisch und elektrisch polarisiert sein, sondern zudem gleich mehrere Ordnungsparameter f¨¹r die Magnetisierung besitzen: einen, der die magnetische Ausrichtung eines Bereichs bestimmt, und einen weiteren, der sich an die Anordnung und Form dieser Bereiche im gesamten Material ?erinnert?.

Mithilfe eines speziellen Aufnahmeverfahrens, bei dem polarisiertes Laserlicht durch den Kristall geschickt wird und dabei seine Farbe ?ndert, konnten die Forscher den Umkehrungsvorgang r?umlich direkt sichtbar machen.

Vertauschte Rollen

Doch damit nicht genug. Mit einem anderen Multiferroikum, bestehend aus Mangan, Germanium und Sauerstoff, konnten die Physiker ein ?hnliches Kunstst¨¹ck vollf¨¹hren, wobei diesmal allerdings die Rollen vertauscht waren: Das magnetische Feld kehrte diesmal nicht die Magnetisierung, sondern die elektrische Polarisierung des Materials um. F¨¹r die Forscher ist das eine weitere Best?tigung daf¨¹r, dass Multiferroika tats?chlich noch viele ?berraschungen bereithalten. ?Wahrscheinlich gibt es da noch sehr viel zu entdecken, das wir uns heute noch gar nicht vorstellen k?nnen?, meint Fiebig.