Multiferroika: Ein Material mit vielen Eigenschaften

Die neue Materialklasse der Multiferroika vereint in sich so verschiedene Eigenschaften wie Magnetismus und Ferroelektrizität, deren Koexistenz in einem Material völlig neue physikalische Phänomene erzeugt. Das komplizierte Wechselspiel der einzelnen Effekte zu verstehen und das Verhalten des Materials für technische Anwendungen zu optimieren, stellt die Forschung vor eine komplexe Herausforderung.

Schon im alten China war bekannt, dass bestimmte Mineralien sich ohne Anwendung äußerer Kräfte scheinbar von allein gegenseitig anziehen und abstoßen können. Sich selbst überlassen richten sie sich bezüglich der Himmelsrichtungen immer auf die gleiche Weise aus. Eine der ältesten technischen Anwendungen dieses als Magnetismus bezeichneten Phänomens ist der Kompass.

Magnetismus – eine ferroische Ordnung

Die physikalische Ursache des Magnetismus ist heute sehr gut verstanden. Der Eigendrehimpuls der Elektronen eines Atoms, der so genannte Spin, verursacht ein mikroskopisches magnetisches Moment, ähnlich einem winzigen Stabmagneten. In einem Kristall können die einzelnen magnetischen Momente in Wechselwirkung miteinander treten, was – ist die Wechselwirkung stark genug – zu einer gemeinsamen, gleichgerichteten Ausrichtung aller Einzelmomente führt: Die „Stabmagnete“ zeigen in die gleiche Richtung und der Kristall als Ganzes wird magnetisch.

In der Physik bezeichnet man diese Art des Magnetismus als „Ferromagnetismus“, angelehnt an das lateinische Wort „ferrum“ für das magnetische Element Eisen. Erst sehr spät wurde der so genannte „Antiferromagnetismus“ entdeckt. Wie beim Ferromagneten richten sich auch beim Antiferromagneten die unzähligen atomaren magnetischen Momente kollektiv aus, allerdings so, dass sich alle Momente gegenseitig kompensieren. Im einfachsten Fall stehen zwei benachbarte magnetische Momente einfach antiparallel zueinander. Jedoch existieren auch höchst komplexe Strukturen. Das Spektrum reicht von Dreiecks- oder Tetraederanordnungen bis hin zu lang ausgedehnten Spiral- oder Helixstrukturen.

Magnetismus ist zudem ein temperaturabhängiges Phänomen. Denn Wärme lässt die Orientierung der vielen einzelnen atomaren Magnete „zappeln“. Diese induzierte Bewegung konkurriert mit dem Bestreben der kollektiven Ausrichtung; die magnetischen Momente sind ungeordnet. Erst wenn die Temperatur einen bestimmten materialspezifischen Wert unterschreitet, geht der Stoff in einen geordneten, als „ferroisch“ bezeichneten Zustand über. Oberhalb dieser Temperatur ist er „paramagnetisch“. Seine magnetische Eigenschaft zeigt er dann erst, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt ist.

Die nützliche Vielfalt der ferroischen Ordnungen

In der Natur existieren neben dem Magnetismus noch weitere solcher ferroischer Ordnungsphänomene wie die Ferroelastizität und die Ferroelektrizität. Ferroelastizität bezeichnet eine kollektive elastische Verformung des Kristallgitters eines Materials. Je nach Temperatur nehmen die Bausteine des Materials unterschiedliche Anordnungen an, die wiederum Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften des Materials als Ganzes haben.

Die Grafik zeigt zwei Gittermodelle, die eine Kristallstruktur darstellen. Beide Hälften zeigen bis auf ein Detail das Gleiche: An den Ecken eines durch schwarze Linien dargestellten Würfels befinden sich graue Kugeln, die Sauerstoff-Ionen darstellen. Im Mittelpunkt der Flächen des dreidimensional dargestellten Würfels befindet sich jeweils eine blaue Kugel, die ein Barium-Ion darstellt. Die sechs Barium-Atome bilden so einen Oktaeder, der in den Würfel einbeschrieben ist. Soweit sind beide Grafiken identisch.  In der linken Grafik schwebt knapp über dem räumlichen Mittelpunkt des Würfels eine schwarze Kugel, die ein Titan-Ion darstellt. Links neben der Gitterstruktur ist ein Pfeil dargestellt, der von unten nach oben weist. Er ist mit "Polarisation" beschriftet und hat ein Minuszeichen beim Fußende sowie an der Spitze ein Pluszeichen. Im rechten Bild schwebt die schwarze Kugel knapp unterhalb der Würfelmitte. Der Pfeil weist dort von oben nach unten.
Ferroelektrizität von Bariumtitanat

Die einzelnen Atome, die in einem kristallinen Material wie an einem Gitter angeordnet sind, sind außerdem unterschiedlich positiv oder negativ geladen. Verschieben sich diese Ladungen gegeneinander, treten atomare elektrische Dipole im Material auf. Bei der Ferroelektrizität richten sich diese Dipole gleichförmig und permanent aus. Analog zum Magnetfeld des Ferromagnetismus entsteht durch die Ausrichtung der Dipole bei der Ferroelektrizität ein elektrisches Feld.

Die technischen Anwendungen solcher ferroischer Materialien sind äußerst vielfältig. Ob Magnetbänder oder Festplatten – dauerhafte Datenspeicherung beruht zum überwiegenden Teil auf magnetischen Materialien. Daneben spielen Ferro- und Antiferromagnete eine große Rolle in Elektronik und Messtechnik und sogar in der Optik. Ferroelektrika sind fast ebenso weit verbreitet. Neben der klassischen Verwendung in elektronischen Bauteilen gewinnen sie in der modernen, auf Lichtausbreitung basierenden Telekommunikation immer größere Relevanz.

Multiferroika – die Kombination von ferroischen Ordnungen

Multiferroika vereinen nun mehrere ferroische Ordnungsphänomene in sich und erschließen dadurch ganz neue technische Anwendungsmöglichkeiten. Vor inzwischen 50 Jahren wurde in der damaligen Sowjetunion die Idee entwickelt, verschiedene ferroische Eigenschaften in einem Material in einer einzigen Phase, das heißt bei gleicher Temperatur, zu verknüpfen. Vor allem die Kombination von Ferromagneten und Ferroelektrika, die man damals noch als „Ferroelektromagnetika“ oder „Ferromagnetoelektrika“ bezeichnete, regte die wissenschaftliche Fantasie an. Besonders interessant ist dabei der sogenannte magnetoelektrische Effekt solcher Materialien: Mit einem elektrischen Feld kann direkt die ferromagnetische Ordnung verändert werden und umgekehrt mit einem magnetischen Feld die ferroelektrische Ordnung. Konkret heißt das: Bringt man das Material in ein Magnetfeld, so antwortet es mit einer elektrischen Spannung. Zwar existiert dieser Effekt auch in einfachen magnetischen Materialien, jedoch nur sehr schwach. In Multiferroika sollte der Effekt durch die gemeinsame Ausrichtung der Dipole und magnetischen Momente jedoch um ein Vielfaches verstärkt auftreten.

Technologisch ist der magnetoelektrische Effekt hochinteressant. Denkbar sind Magnetspeicher, die gegen magnetische Streufelder resistent wären, sich jedoch mit geringen elektrischen Feldern beschreiben ließen. Ebenso wird jüngst an der Entwicklung von effizienten stromlosen Magnetfeldsensoren geforscht, welche die magnetische Feldstärke direkt in eine elektrische Spannung umsetzen. Solche Sensoren sollen zukünftig zum Beispiel in der Medizin winzige Hirnströme in einer bisher nicht erreichten Präzision messen.

Die Grafik trägt den Titel "Magnetoelektrische Hirnstromsensoren". Sie zeigt links einen Kopf, in dem das Gehirn als Schichtmodell sichtbar wird. Mit Pfeilchen sind Magnetfeldlinien eingezeichnet, wobei das Magnetfeld nach rechts oben aus dem Kopf heraus weist. Dort sind schematisch viereckige Plättchen angebracht. Diese Plättchen sind rechts neben dem Kopf vergrößert dargestellt. Sie bestehen aus einer waagrechten Schicht. In ihr stellen kleine Pluszeichen am oberen Rand positive Ladungen und Minuszeichen unten negative Ladungen dar. Diese Ladungstrennung wird durch ein waagrechtes Magnetfeld hervorgerufen, das durch einen von links nach rechts weisenden Pfeil dargestellt wird. Von Ober- zu Unterseite des Plättchens laufen Leitungen zu einem Spannungsmessgerät.
Magnetfeldsensoren zur Hirnstrommessung

Aus der Vergangenheit gelernt

Über Jahrzehnte blieben diese Überlegungen jedoch überwiegend reine Gedankenspielereien. Es wurden nur wenige Materialien gefunden, die tatsächlich magnetische und elektrische Ordnung in einer Phase zeigen. Warum der Effekt in diesen Materialien so schwach ausgeprägt ist, konnte inzwischen physikalisch verstanden werden. Denn die elektrisch geladenen Teilchen im Kristall „wollen“ anscheinend nicht gleichzeitig ein geordnetes magnetisches Moment und eine permanente elektrische Ladungstrennung aufbauen.
Mit dem theoretischen Verständnis, warum die klassische Herangehensweise nicht zum Ziel führte, konnten neue Ideen entwickelt werden, wie die zunächst unvereinbaren Phänomene sich doch in einem Material kombinieren lassen.
Seit etwa einem Jahrzehnt steht daher das Konzept der mehrfach geordneten Materialien unter dem Namen „Multiferroika“ wieder im Zentrum des Forschungsinteresses. Gelingt es, stark ausgeprägte Ferroelektrizität mit Ferromagnetismus zu koppeln, ist der Weg frei für eine völlig neue Generation von leistungsfähigen Sensoren, Datenspeichern und elektronischen Bauteilen.

Der zweite Teil unseres Artikels befasst sich mit den raffinierten Lösungsansätzen der Wissenschaftler, um das neue Supermaterial zu entwickeln und dessen Eigenschaften technologisch zu nutzen.