Villigen – Aus einer Milliarde winziger Magnete haben Forscher am Paul Scherrer Institut (PSI) ein künstliches Material erschaffen. Überraschenderweise ändern sich die magnetischen Eigenschaften dieses sogenannten Metamaterials je nach Temperatur, so dass es verschiedene Zustände einnehmen kann; ähnlich wie Wasser einen gasförmigen, flüssigen und festen Zustand hat. Dies ließe sich womöglich für zukünftige elektronische Anwendungen weiterentwickeln, wie die Forscher in "Nature Communications" berichten.

Ähnlich wie die Übergänge zwischen Dampf, Wasser und Eis zeigt auch das sogenannte Metamaterial aus Nanomagneten Phasenübergänge. "Wir waren überrascht und begeistert", sagt Studienleiterin Laura Heyderman. "Denn nur komplexe Systeme können Phasenübergänge aufweisen." Zugleich könnten komplexe Systeme zu neuen Arten der Informationsübertragung dienen.

Punktgenaue Anordnung

Der große Vorteil des künstlichen Metamaterials sei, dass es sich beinahe beliebig maßschneidern lässt. Während sich die einzelnen Atome in einem natürlichen Material nicht in großem Stil punktgenau neu anordnen lassen, sei mit den Nanomagneten genau das möglich, so die Wissenschafter. Die einzelnen Magnete haben in etwa die längliche Form eines Reiskorns und sind 63 Nanometer lang.

Heyderman und Kollegen platzierten eine Milliarde dieser winzigen Stäbchen als großflächiges Bienenwaben-Muster auf einem flachen Untergrund. Insgesamt bedeckten die Nanomagnete so eine Fläche von gerade einmal fünf mal fünf Millimetern. Mit einer speziellen Messtechnik betrachteten die Wissenschafter das kollektive magnetische Verhalten des Metamaterials zunächst bei Raumtemperatur. Hier gab es keine Ordnung in der magnetischen Ausrichtung: Wild durcheinander zeigten magnetische Nord- und Südpole in die eine oder andere Richtung.

Anwendungsmöglichkeiten in der Spintronik

Als die Forschenden jedoch langsam und kontinuierlich das Metamaterial kühlten, erreichten sie einen Punkt, an dem eine höhere Ordnung eintrat: Die winzigen Magnete beachteten einander nun stärker als zuvor. Mit weiter sinkender Temperatur kam es nochmals zu einer plötzlichen Änderung hin zu noch höherer Ordnung, die zudem fast wie eingefroren wirkte. Ganz ähnlich erhöht sich auch die weitreichende Ordnung der Wassermoleküle in dem Moment, in dem Wasser zu Eis gefriert.

Als nächsten Schritt wollen die Forscher Einfluss auf diese magnetischen Phasenübergänge nehmen, indem sie die Größe, Form und Anordnung der Nanomagnete verändern. Dies ermögliche die Erschaffung neuer Materiezustände, die auch zu vielfältigen Anwendungen führen könnten: "Das Besondere ist: Mit maßgeschneiderten Phasenübergängen ließen sich Metamaterialien in Zukunft gezielt für verschiedene Bedürfnisse anpassen", so Heyderman. Neben der Informationsübertragung könnte das Metamaterial etwa auch in der Datenspeicherung nützlich sein oder auf Sensoren, die Magnetfelder nachweisen. (red, 23.9.2015)