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Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

25.02.2020

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI), einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth, haben es die Forscher bei einem Druck von 15 Gigapascal hergestellt.


Schematische Darstellung des Eisenoxids Fe₅O₆ nach dem Übergang in die neue Kristallstruktur bei minus zwei Grad. Jeweils zwei Eisenionen teilen sich ein Elektron, wodurch sie ein Paar bilden. Mit Lichtstrahlen (rot) können diese Ionen so bearbeitet werden, dass sich diese Bindung lockert und der atomare Abstand zwischen ihnen wächst.

Bild: Sergey V. Ovsyannikov.

Sinkt nun die Temperatur auf zwei Grad Celsius, wie beispielsweise in einem kalt eingestellten Haushaltskühlschrank, tritt ein plötzlicher Strukturwechsel auf: Eisenionen, die bei höherer Temperatur in langen Ketten aneinandergereiht sind, ordnen sich stattdessen paarweise an. Jeweils zwei Eisenionen bilden eine Bindung zwischen sich aus, die durch ein Elektron vermittelt wird.

In diese neue Kristallstruktur können Lichtstrahlen von außen gezielt eingreifen. Falls sie eine geeignete Wellenlänge haben, sind sie in der Lage, die zwischen zwei Eisenionen bestehende Bindung zu lösen: Das Ionenpaar zerbricht.

Infolgedessen geraten die einzelnen Eisenionen in Bewegung, so dass sich ihr Abstand und ihr physikalischer Zustand ändern. „Diese gezielte Beeinflussung von Atomabständen bei einer Kühlschranktemperatur, die sich leicht realisieren lässt, hat ein hochinteressantes Anwendungspotenzial im IT-Bereich.

Sie lässt sich beispielsweise in Quantencomputern, für Speicherelemente mit einer Größe von nur wenigen Nanometern oder für ebenso winzige Schalter nutzen“, erklärt Dr. Sergey V. Ovsyannikov vom BGI, der Erstautor der Veröffentlichung.

Die Synthese und die Untersuchung des Eisenoxids Fe₅O₆ sind von grundlegender Bedeutung, wenn es darum geht, die Zusammenhänge zwischen der Kristallstruktur von Eisenoxiden und ihren physikalischen Eigenschaften aufzuklären. Auch dies ist ein Ergebnis der jetzt veröffentlichten Studie.

Der Abstand zwischen den Eisenionen, die bei einer normalen Umgebungstemperatur kettenförmig aneinandergereiht sind, hat einen entscheidenden Einfluss darauf, bei welcher tieferen Temperatur eine plötzliche Strukturänderung auftritt und welche neuen Eigenschaften daraus resultieren. „Diese Erkenntnisse bieten wertvolle Ansatzpunkte bei der Suche nach neuen Materialien für die Informationstechnik", sagt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom BGI, der die Forschungsarbeiten koordiniert hat.

Hintergrund:
Die signifikante Strukturänderung, welche die Forscher jetzt im Eisenoxid Fe₅O₆ entdeckt haben, wird in der Physik als „Verwey-Ladungs-Ordnungs-Übergang“ bezeichnet. Bisher ist ein solcher temperaturabhängiger Übergang, der mit einer Änderung der elektronischen und weiterer Eigenschaften einhergeht, nur beim Eisenoxid Fe₃O₄ gut untersucht worden. Bei diesem Material treten die Änderungen erst dann auf, wenn die Temperatur auf minus 153 Grad Celsius absinkt. Bei dieser Übergangstemperatur sind Anwendungen für die Informationstechnologie allerdings nur schwer zu realisieren.

Grafik zum Download:
https://www.uni-bayreuth.de/de/universitaet/presse/pressemitteilungen/2020/028-N...

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 / 55-3736 oder -3707
E-Mail: Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de

Originalpublikation:

Sergey V. Ovsyannikov et al.: A Room‐Temperature Verwey‐type Transition in Iron Oxide, Fe₅O₆. Angewandte Chemie – International Edition (2020). URL: http://dx.doi.org/10.1002/anie.201914988

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

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