Dünne Schichten aus zwei nichtmagnetischen Metallen – Kupfer und Mangan – werden zu Magneten, wenn sie mit Buckminsterfulleren-Molekülen in Kontakt kommen. Diese Entdeckung wurde von Physikern in Großbritannien, den USA und der Schweiz gemacht und könnte zu neuen Arten praktischer elektronischer Geräte und sogar Quantencomputern führen.
Ferromagnete – wie bekannte Kühlschrankmagnete – sind Materialien mit permanentmagnetischen Momenten. Es gibt nur drei Metalle, die bei Raumtemperatur ferromagnetisch sind – Eisen, Nickel und Kobalt – und dies wird durch das „Stoner-Kriterium“ erklärt, das erstmals 1938 an der University of Leeds von Edmund Stoner abgeleitet wurde.
Stoner wusste, dass Magnetismus in Metallen eine Eigenschaft der Leitungselektronen ist. Diese Elektronen unterliegen der Austauschinteraktion, die es ihnen ermöglicht, ihre Energie zu reduzieren, indem sie ihre magnetischen Spinmomente in die gleiche Richtung ausrichten – wodurch ein ferromagnetisches Metall entsteht. Spins, die in die gleiche Richtung zeigen, erhöhen jedoch die gesamte kinetische Energie der Elektronen. Stoner erkannte, dass Ferromagnetismus nur dann auftritt, wenn die durch den Austausch verursachte Verringerung der Energie größer ist als der Gewinn an kinetischer Energie. Quantitativ zeigte er, dass dies geschieht, wenn das Produkt der Elektronendichte der Zustände (DOS) – die Anzahl der Energiezustände, die den Elektronen zur Verfügung stehen – und die Stärke der Austauschwechselwirkung (bezeichnet mit U) größer als eins ist.
U einen Schub geben
U wird das Stoner–Kriterium genannt, und es ist größer als eins für Eisen, Nickel und Kobalt, aber nicht für ihre Nachbarn im Periodensystem – Mangan und Kupfer. Nun hat ein internationales Team um Fatma Al Ma’Mari und Tim Moorsom von der University of Leeds in Großbritannien einen Weg gefunden, die Wechselwirkung von Energie und Austausch in Kupfer und Mangan so zu verstärken, dass sie bei Raumtemperatur ferromagnetisch sind.
Das Team stellte seine Proben her, indem es mehrere abwechselnde Schichten aus C60 und Kupfer (oder Mangan) auf ein Substrat aufbrachte. Die Kupferschichten waren etwa 2,5 nm dick und die C60-Schichten etwa 15 nm dick. C60 wird verwendet, weil es eine große Elektronenaffinität aufweist, was bedeutet, dass jedes Molekül bis zu drei Leitungselektronen aus dem Kupfer aufnimmt. Es wird erwartet, dass dies sowohl die Viskosität als auch die Stärke der Austauschinteraktion in Kupfer erhöht.
Das Team maß dann die Magnetisierung der geschichteten Proben und stellte fest, dass es sich um ferromagnetische Materialien handelte. Die Forscher untersuchten auch Proben, in denen die Kupfer- und C60-Schichten durch Aluminiumschichten getrennt waren, und fanden keine Hinweise auf Magnetismus, was darauf hindeutet, dass Ferromagnetismus an den Grenzflächen zwischen Kupfer und C60 auftritt. Dies wurde durch Experimente mit Myonen untermauert, die tiefensensitiv sind und zeigten, dass der Ferromagnetismus im Kupfer nahe der C60-Grenzfläche auftritt. Das Team fand auch Ferromagnetismus bei Raumtemperatur in C60 / Mangan-Schichten, jedoch mit einer schwächeren Magnetisierung.
Kritisches Feld
Überraschenderweise fanden die Forscher, als sie U für ihre Kupferproben berechneten, weniger als eins. Mit anderen Worten, die Proben sollten nach dem Stoner-Kriterium nicht ferromagnetisch gewesen sein. Weitere theoretische Untersuchungen legen jedoch nahe, dass die Proben ferromagnet werden sollten, wenn sie einem relativ kleinen Magnetfeld ausgesetzt waren – etwas, das während der Vorbereitung der Proben passiert wäre. Dies deutet darauf hin, dass andere nichtmagnetische Metalle ferromagnetisch gemacht werden könnten, indem sie U verstärken, aber nicht unbedingt bis zu eins.
Obwohl weitere Arbeiten erforderlich sind, um die Festigkeit der Kupfer- und Manganmagnete zu erhöhen, könnte die Forschung zur Entwicklung neuer Arten winziger magnetischer Komponenten führen. Diese könnten in spintronischen Bauelementen Verwendung finden, die den Spin des Elektrons zum Speichern und Verarbeiten von Informationen nutzen, oder sogar in Quantencomputern, in denen Elektronenspins als Quanteninformationsbits verwendet werden.
Die Forschung wird in Nature beschrieben.