Neues, bei Raumtemperatur multiferroisches Material entwickelt

  • Neues, bei Raumtemperatur multiferroisches Material entwickelt: oben die ferromagnetische Fe-Schicht, unten die ferroelektrische Bi-Ti-O Schicht, und dazwischen die multiferroische Schicht. Die drei Schichten sind durch ihre jeweiligen Hysteresen charakterisiert, d.h. ihre Zustandsänderung durch Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes (E) oder magnetischen Feldes (H): die Fe-Schicht durch eine ferromagnetische Hysterese, die Bi-Ti-O Schicht durch eine ferroelektrische Hysterese, und die multiferroische Zwischenschicht, die in gleicher Weise auf elektrische Felder und magnetische Felder reagiert. Der rote Pfeil deutet die Richtung des einfallenden Synchrotronstrahls an, der wahlweise rechts oder links zirkular polarisiert ist.Neues, bei Raumtemperatur multiferroisches Material entwickelt: oben die ferromagnetische Fe-Schicht, unten die ferroelektrische Bi-Ti-O Schicht, und dazwischen die multiferroische Schicht. Die drei Schichten sind durch ihre jeweiligen Hysteresen charakterisiert, d.h. ihre Zustandsänderung durch Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes (E) oder magnetischen Feldes (H): die Fe-Schicht durch eine ferromagnetische Hysterese, die Bi-Ti-O Schicht durch eine ferroelektrische Hysterese, und die multiferroische Zwischenschicht, die in gleicher Weise auf elektrische Felder und magnetische Felder reagiert. Der rote Pfeil deutet die Richtung des einfallenden Synchrotronstrahls an, der wahlweise rechts oder links zirkular polarisiert ist.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum hat ein neues, bei Raumtemperatur multiferroisches Material entwickelt und damit erstmals einen Weg gefunden, Magnetismus durch elektrische Felder schon bei „normaler" Temperatur zu steuern. Mit den jetzt entdeckten Materialeigenschaften von Bismuth-Titan-Oxid (BaTiO3) lassen sich zukünftig Bauelemente wie Datenspeicher und logische Schalter entwerfen, die mit elektrischen anstatt mit magnetischen Feldern kontrollierbar sind. Ein großer Vorteil für die Industrie, denn elektrische Felder sind technisch viel einfacher und billiger herzustellen als magnetische Felder.

Bei Raumtemperatur multiferroisches Material
Multiferroische Materialien sind sehr seltene Materialien, die sowohl durch magnetische als auch durch elektrische Felder beeinflusst werden. Ein solches multiferroisches Material stellten die Forscher her, indem sie ultradünne ferromagnetische Eisenschichten auf ferroelektrische Bismuth-Titan-Oxid-Schichten aufdampften. Dabei konnten sie feststellen, dass das sonst nicht magnetische ferroelektrische Material an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten ferromagnetisch wird.

Spektroskopischer Nachweis
Diesen Grenzflächenmagnetismus wiesen die Wissenschaftler mit Hilfe des sogenannten "magnetischen Röntgendichroismus" nach. Dabei wird die Polarisation der Röntgenstrahlen durch Magnetismus beeinflusst - ähnlich dem bekannten Faraday-Effekt aus der Optik. Der magnetische Röntgendichroismus hat den Vorteil, dass er auf jedes einzelne Element in dem untersuchten Material angewandt werden kann. Mit dieser Methode konnte das Forscherteam zeigen, dass alle drei Elemente in dem ferroelektrischen Material - Bismuth, Sauerstoff und Titan - an der Grenzfläche zu Eisen ferromagnetisch reagieren, obwohl diese Atome sonst nicht magnetisch sind.

Prof. Dr. Hartmut Zabel, Lehrstuhl für Experimentalphysik der RUB:
„Die Methode des magnetischen Röntgendichroismus ist hoch komplex", sagt Prof. Dr. Hartmut Zabel. Die von Bochumer Physikern entwickelte Messkammer ALICE ist seit 2007 erfolgreich am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin im Einsatz und vereinigt Röntgenstreuung mit Röntgen-Spektroskopie.

„Das ist eine äußerst raffinierte und sehr empfindliche Methode", so Prof. Zabel. „Die hohe Präzision der Detektoren sowie aller Goniometer in der Kammer führte zum Erfolg der Experimente des internationalen Messteams."

Originalliteratur:
S. Valencia et al.: "Interface-induced room-temperature multiferroicity in BaTiO3". Nature Materials, DOI: 10.1038/NMAT3098

http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/

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