Wiener Forscher finden starke Verknüpfung von Struktur und magnetischer Ordnung

Räumliche Anordnung der Atome hängt stark von ihrer magnetischen Ausrichtung ab

Wien - Eigenschaften von Materialien hängen eng damit zusammen, welche quantenphysikalischen Wechselwirkungen zwischen den Atomkernen und Elektronen stattfinden ("chemische" Bindung). Wissenschafter der Universität Wien und der Technischen Universität (TU) Wien konnten gemeinsam mit einem US-Kollegen erstmals zeigen, dass die räumliche Anordnung der Atome sehr stark von ihrer magnetischen Ausrichtung abhängt. Die Ergebnisse an der Schnittstelle von Quantenphysik und Materialwissenschaften wurden in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" publiziert.

"Das Highlight dieser Arbeit ist die enge Verknüpfung zwischen der geometrischen Struktur, also der Anordnung der Atome auf der Oberfläche und der magnetischen Ordnung", so Raimund Podloucky vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Wien im Gespräch. "Zur Wellennatur der Elektronen kommt der sogenannte Spin als magnetische Quanteneigenschaft hinzu". Vereinfachend könne man einem Atom eine magnetische Größe - das magnetische Moment - zuordnen, wenn sich Elektronen mit überwiegend einer Spin-Orientierung nahe am Atomkern aufhalten.

Die mit ungefähr gleich großen magnetischen Momenten versehenen Atome zeigen in verschiedene Richtungen und verknüpfen sich im Material, was zu komplexen magnetischen Anordnungen führen kann. Genau diese Anordnungen beeinflussen die geometrische Anordnung sehr stark "und das haben wir wirklich deutlich gezeigt", so Podloucky.

Untersuchung und Berechnung

Die Wissenschafter haben eine zweidimensionale Kobaltoxid-Schicht auf einer Oberfläche aus Iridium untersucht. "Um deren magnetische Ordnung zu entschlüsseln, braucht man die Theorie, da das Experiment eine solche komplexe Ordnung nicht direkt auflösen kann". Wie eine frühere experimentelle Arbeit von Kollegen gezeigt hatte, kann aber die räumliche Struktur gemessen werden. Dazu braucht es "ein extrem aufwendiges Verfahren", nämlich die Bestimmung von 59 strukturellen Parametern. "Die Resultate unserer Berechnung auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) stimmen mit allen experimentell ermittelten Werten überein", so Podloucky. "Wir Theoretiker haben außerdem eine zweite, ähnliche Struktur vorhergesagt, die im Experiment dann auch tatsächlich nach unseren Berechnungen entdeckt wurde." Diese Ergebnisse werden demnächst in einer weiteren Publikation erscheinen.

Die Forschungen in der grundlagenorientierten Materialwissenschaft seien nicht nur rein wissenschaftlich interessant, sondern würden sich auch in messbaren Materialeigenschaften bemerkbar machen. Anwendung finden Kobaltoxidschichten etwa in der Katalyse, der Sensortechnik, der Batterietechnologie sowie in der Nanomagnetik. "Die von uns gefundene, sehr starke Verknüpfung von Struktur und magnetischer Ordnung könnte in diesen Bereichen von großem Nutzen sein", so der Forscher. Ihre Ergebnisse erzielten die Wissenschafter im Rahmen der vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Spezialforschungsbereiche ViCoM und FOXSI. (APA/red, derStandard.at, 4.8.2012)