Erstmals Magnet aus Kupfer erschaffen

Eisen, Kobalt, Nickel – nur diese drei Metalle sind in reiner Form und bei Raumtemperatur magnetisch. Diese Eigenschaft nennt man ferromagnetisch. In allen industriell für Permanentmagnete genutzten Legierungen mit Seltenen Erden sind diese drei Metalle enthalten. In Zukunft könnte sich das ändern. Denn einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, nicht magnetische Metalle wie Kupfer und Mangan in Magnete zu verwandeln. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten mit dieser Methode Magnete aus ungiftigen und vor allem günstigeren Substanzen entwickelt werden.

Die Illustration zeigt eine Fläche in der Mitte mit drei Molekülsymbolen, die von Linien umgeben sind, die links und rechts der Fläche beginnen und dann oben und unten in Halbellipsen verlaufen.
Magnete aus Kupfer und Mangan

„Wir haben mit dem Zusatz organischer Moleküle überprüft, ob wir eine magnetische Ordnung in nicht magnetischen Metallen erzeugen können“, sagt Oscar Cespedes von 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 – oder 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.

Allerdings war die Stärke dieser Kupfer- und Mangan-Magnete sehr klein und konnte nur mit hoch empfindlichen Magnetometern gemessen werden. „Derzeit würde noch keiner dieser Magnete an einem Kühlschrank haften“, sagt Cespedes. Die Forscher hoffen aber, dass mit anderen Materialkombinationen durchaus kräftigere Magnete entwickelt werden könnten. Das würde auf längere Sicht eventuell die Abhängigkeit der europäischen Industrie von Importen der Seltenen Erden verringern.

Bis dahin sieht Cespedes seine Magnete als Kontrastmittel in der Medizin oder als Hilfsmittel für den Aufbau von Qubits in Quantencomputern. „Unser Trick erweitert auf jeden Fall die Anzahl von magnetischen Substanzen aus günstigen, gut verfügbaren und umweltfreundlichen Komponenten“, sagt Cespedes.