Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftler wendet Methode an, um Erkenntnisse auf dem Gebiet der Kristallographie zu gewinnen

05.06.2014

Mit dem von der RWTH entwickelten und zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich betriebenen Einkristalldiffraktometer POLI hat Dr. Vladimir Hutanu vom Institut für Kristallographie ein Material namens Ba2CoGe2O7 mit einer neuen Methode vermessen. Bei den am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching bei München vorgenommenen Untersuchungen konnten wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung neuartiger Datenspeicher gewonnen werden.

Ba2CoGe2O7 ist ein dunkelblauer Kristall, der von einer japanischen Forschergruppe im Labor gezüchtet wurde. Das Multiferroikum weckt jedoch nicht wegen seiner Farbe das Interesse der Wissenschaftler, sondern wegen seiner elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Die Besonderheit solcher Multiferroika ist, dass sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes die magnetische Orientierung ändert. Interessant sind solche Materialien für die Entwicklung neuartiger Datenspeicher, die wenig Energie zum Speichern und Lesen benötigen.

Magneto-elektrische Materialien sind seit mehr als 100 Jahren bekannt, ihr Potential als neues Speichermedium erkannte ein japanischer Physiker jedoch erst 2003. In der Folge entdeckten weltweit Wissenschaftler viele neue Multiferroika und entwickelten verschiedene Theorien, um die Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu verstehen und sie damit besser für den Einsatzzweck optimieren zu können. Welche der theoretischen Modelle nun zutreffen, kann nur mit sehr aufwändigen experimentellen Messmethoden geklärt werden.

Forschung an der Neutronenquelle

Einer internationalen Forschergruppe um Dr. Vladimir Hutanu ist es nun kürzlich gelungen, die magnetischen Parameter des Ba2CoGe2O7-Kristalls am Neutronendiffraktometer POLI sehr viel genauer zu vermessen als das bisher möglich war. Um die einzigartigen Eigenschaften von Neutronenstrahlen für die Forschung nutzen zu können, betreibt das Institut für Kristallographie der RWTH Aachen in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich eine Außenstelle am modernsten deutschen Forschungsreaktor, der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching bei München. Dort hat Hutanu die so genannte 3D-Polarisationsanalyse mit heißen Neutronen angewendet. Diese Methode kann weltweit nur noch am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, angewendet werden.

Hutanu benutzte zuerst unpolarisierte Neutronen, um die genaue Anordnung der Atome im Kristall zu bestimmen. Er fand heraus, dass der Kristall – anders als von vielen theoretischen Modellen angenommen – eher eine orthorhombische als eine tetragonale Symmetrie besitzt. Mit dieser Erkenntnis konnte er den Kristall mit polarisierten Neutronen analysieren und damit Informationen über Ausrichtung und Größe der elementaren magnetischen Momente von einzelnen ungepaarten Elektronen (sogenannten Spins) im Kristallgitter erlangen. Um an diese Informationen heran zu kommen, musste vorher das Domänenmuster entschlüsselt werden.
Viele Kristalle bestehen aus baugleichen Bereichen (Domänen), die zueinander unterschiedlich orientiert sind und so die Gesamtenergie des Kristals minimieren. Im Ba2CoGe2O7-Kristall gibt es Domänen, deren magnetische Momente jeweils senkrecht zueinander stehen. Erstmals konnte der Anteil jeder Domänenart im Gesamtkristall sowie deren Veränderung beim Anlegen eines magnetischen und elektrischen Feldes untersucht und genau bestimmt werden. Ohne ein Magnetfeld kommen alle Domänentypen gleich oft vor, daraus resultiert ein gesamtes Magnetmoment von null. Dieses Ergebnis steht aber im Gegensatz zu einer Theorie, die ein – wenn auch kleines – Gesamtmoment vorhersagte.

Ein anderer Theoretiker berechnete, dass ein enorm hohes Magnetfeld von rund einem Tesla (etwa 30 000 Mal höher als das Magnetfeld der Erde) nötig wäre, um nur eine einzige dieser kleinen Domänen über den gesamten Kristall zu schieben. Im Experiment fand die Forschergruppe um Dr. Hutanu jedoch etwas Überraschendes: Der Kristall reagierte sehr schnell auf die Änderung von Magnetfeld und bereits ein Zehntel der theoretischen Feldstärke genügte, um eine Eindomänenstruktur zu realisieren. Mit Hilfe dieser einzigartigen Versuche gelang es den Forschern, experimentell nachzuweisen, dass nur eine der vielen Theorien zu den Messergebnissen passt.

Messungen unter extremen Bedingungen

Das aufwändige Experiment erforderte eine Vielzahl von Messungen unter extremen Bedingungen. Beispielsweise tritt der beobachtete Effekt nur bei sehr tiefen Temperaturen ein, in diesem Fall bei minus 266,5 Grad Celsius. Damit das Magnetfeld der Erde die empfindliche Messung nicht stört, muss es durch supraleitende Niobplatten abgeschirmt werden. Das Metall Niob ist jedoch nur supraleitend, wenn es mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Heliumgas unter minus 264 Grad Celsius gekühlt wird. Diese flüssigen Gase verdampfen aber schnell und müssen deshalb regelmäßig und sehr sorgfältig nachgefüllt werden. Die Polarisationsmessung erfordert vor und hinter dem Kristall jeweils einen Kolben mit einem speziellen Helium-Isotop, das mit Lasern polarisiert wurde, so dass alle Gasmoleküle in die gleiche Richtung weisen. Alle Parameter müssen laufend überwacht werden, nur dann ist Verlass auf die Richtigkeit der Ergebnisse. Diese lüften dafür den geheimnisvollen Wechselwirkungsmechanismus von Magnetismus und Elektrizität auf der tiefsten mikroskopischen Ebene eines Kristalls wie Ba2CoGe2O7.

Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Zeitschrift „Physical Review B“ veröffentlicht. Die Wissenschaftler planen, ihre erfolgreiche Messmethode und ihr Wissen über Multiferroika auch an anderen vielversprechenden Verbindungen einzusetzen, um möglicherweise bald ähnliche Ergebnisse auch bei Zimmertemperatur zu erzielen.

Kontakt:
Dr. Vladimir Hutanu
Institut für Kristallographie RWTH Aachen
Außenstelle am FRM II ZWE/TU München
Lichtenbergstraße 1, 85747 Garching
Tel.: +49 89/289-12153
Email: vladimir.hutanu@frm2.tum.de

Christine Kortenbruck
Presse / Öffentlichkeitsarbeit
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz TU München
Lichtenbergstr.1
85748 Garching
Tel.: +49 89/289-13893
Email: Christine.Kortenbruck@frm2.tum.de

Thomas von Salzen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.rwth-aachen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon
21.02.2018 | Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V.

nachricht Wie verbessert man die Nahtqualität lasergeschweißter Textilien?
20.02.2018 | Hohenstein Institute

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von Hefe für Demenzerkrankungen lernen

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sektorenkopplung: Die Energiesysteme wachsen zusammen

22.02.2018 | Seminare Workshops

Die Entschlüsselung der Struktur des Huntingtin Proteins

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics