Wie mit dem magnetoelastischen Effekt die magnetischen Eigenschaften von Nanoelementen geregelt werden können

Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) beruht wesentlich darauf, dass die magnetischen Eigenschaften von Materialien verändert werden können, insbesondere bei elektronischen Speichermedien und der Datenverarbeitung. Forscher, die auf der Arbeit aufbauten, die im EU-finanzierten Projekt MULTIREV geleistet wurde, veröffentlichten kürzlich einen Artikel in der Fachzeitschrift „Nature“. In diesem beschreiben sie, wie sie mit einem hochmodernen dynamischen Bildgebungsverfahren Deformationswellen (Schallwellen) in Kristallen visualisierten und dabei die Wirkung auf nanomagnetische Elemente beurteilten.

Ihre Ergebnisse rücken eine energieeffiziente Magnetisierung kleiner magnetischer Elemente in den Bereich des Möglichen, wovon IKT-Anwendungen profitieren würden. Außerdem können mit dieser Methodik auch dynamische Belastungen in zahlreichen Vorgängen und Produkten untersucht werden, etwa bei Nanopartikeln, chemischen Reaktionen und in der Kristallografie.

Quantifizierung des magnetoelastischen Effekts

Da die Nachfrage nach größeren Datenspeichern und höheren Rechenkapazitäten stetig wächst, werden dringend neue Verfahren benötigt, um die magnetischen Eigenschaften von Materialien effizient zu beeinflussen, insbesondere auf Nanoebene. Die an dieser Studie beteiligten Forscher untersuchten, wie sich die magnetischen Eigenschaften eines Materials bei elastischer Deformation veränderten. Diese Veränderungen können durch Magnetfelder herbeigeführt werden, wofür allerdings eine hohe Stromstärke erforderlich ist.

Daher untersuchten die Projektforscher konkret, wie dynamische Belastungen (oder Verformungen) mit akustischen Oberflächenwellen einhergehen und so die Magnetisierung auf Nanoebene verändern. Nach der Entwicklung eines experimentellen Verfahrens, das auf stroboskopischer Röntgenmikroskopie basiert, konnte eine quantitative Studie durchgeführt werden. Entscheidend war, dass sie in der Studie Zeiträume im Bereich von Pikosekunden untersuchen konnten – in früheren Versuchen wurden erheblich längere Perioden (Millisekunden bis Sekunden) analysiert.

Die Forscher konnten zeigen, dass akustische Oberflächenwellen möglicherweise die Magnetisierung eines nanoskaligen magnetischen Elements auf einem Kristall umkehren könnten. Den Ergebnissen zufolge wirkten sich diese Wellen auf die Magnetquadrate aus, sodass die Magnetbereiche je nach Wellenphase schrumpften oder wuchsen.

Als die Entwicklung der Belastungs- und der Magnetisierungsdynamik der Nanostrukturen gleichzeitig simuliert wurde, stellten die Forscher interessanterweise fest, dass die Magnetisierung nur verzögert auf die Belastung reagierte und dass dies von der Konfiguration des magnetischen Bereichs abhängig war.

Energieeffiziente magnetische Sensoren

Das Projekt MULTIREV wurde ursprünglich ins Leben gerufen, um einen Multiumdrehungssensor zu entwickeln, der kostengünstiger und einfacher als die derzeit verfügbaren Modelle ist. Solche Sensoren erkennen, ob sich Komponenten mehrfach drehen, und werden im Automobilsektor sowie im Bereich der Automatisierung eingesetzt. Die aktuelle Generation dieser Geräte zeichnen sich jedoch meist durch komplexe Architekturen aus, die nur unter bestimmten Umständen anwendbar und auch teuer sind.

Um einen Konzeptnachweis zu erbringen, wollte das Team nichtmagnetische Sensoren durch ein energieautarkes, nichtflüchtiges magnetisches Gerät ersetzen. Dies ermöglicht wiederum, dass erheblich mehr Umdrehungen erkannt werden können, unter Umständen sogar mehrere tausend.

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