Unmagnetischer Magnet

News: Unmagnetischer Magnet

Magnete heben Metallstücke, zeigen im Kompass die Richtung und speichern Daten in einer Festplatte. Die Magnetkraft ist dabei Resultat des Spins und der Bahnbewegung von Elektronen im Festkörper. Nun gelang es Wissenschaftlern, Spin- und Bahnmoment gegeneinander auszuspielen und so einen Magneten herzustellen, der gänzlich unmagnetisch ist.

Thorsten Krome

Eine falsche Bewegung und das Schälchen landet auf dem Boden, und die Büroklammern verteilen sich über den Teppich. Wohl dem, der nun einen Magneten griffbereit in der Schublade seines Schreibtischs liegen hat. Anstelle die Klammern einzeln aufzuklauben, reichen ein bis zwei kreisende Bewegungen über dem Tohuwabohu, und schon kleben alle Metallklämmerchen an dem Magneten. Doch woher kommt diese Kraft eines Permanentmagneten?

Es sind in erster Linie die Elektronen eines Atoms, die das Feld erzeugen. Zum einen trägt ihr Spin ein winziges magnetisches Moment. Zum anderen verursacht ihre kreisförmige Bewegung um den Atomkern ein magnetisches Bahnmoment. In realen Festkörpern sind die Vorgänge zwar etwas komplizierter als in einem einfachen Atom, aber Spin- und Bahnmoment existieren auch hier. Dabei sind die beiden Momente normalerweise unausgeglichen, sodass sich in der Summe über den ganzen Festkörper eine Magnetisierung ergibt, die sich in einem Magnetfeld äußert.

In manchen Seltenerdmetallen sind nun Spin- und Bahnmoment fast identisch, aber entgegengesetzt, sodass sie sich fast gegeneinander aufheben. So ein Element, Samarium, nutzten Hiromichi Adachi und seine Kollegen an der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Tsukuba, um einen nicht-magnetischen Magneten herzustellen. Dazu schufen die Wissenschaftler die Samarium-Aluminium-Legierung SmAl₂, die sich oberhalb und unterhalb einer Temperatur von 70 Kelvin durch einen anderen Magneten magnetisieren lässt – wie jeder andere Permanentmagnet auch. Bei 70 Kelvin löschten sich aber die entgegen gerichteten Momente gegenseitig aus, sodass kein Magnetfeld mehr zu spüren war.

Adachi und seine Mitarbeiter konnten bei weiteren Untersuchungen feststellen, dass auch bei 70 Kelvin die Spins aller Elektronen perfekt in eine Richtung orientiert waren, ganz so wie in einem herkömmlichen Magneten. Die Forscher konnten diese Ausrichtung der Spins detektieren, indem sie links- und rechts-zirkular-polarisiertes Licht durch das Material schickten und untersuchten, inwieweit das Licht gestreut wurde.

"Ich bin zufrieden, dass dieses Resultat herauskommt", erklärt Andrew Stewart von der Australian National University in Canberra. Der Forscher hatte bereits vor 30 Jahren vorausgesagt, dass es einen derartigen Null-Magnetismus bei Samarium geben müsse. Stewart geht davon aus, dass man das Material aufgrund seiner besonderen Eigenschaften für die Spinelektronik nutzen könnte. Und auch Adachi schließt sich dieser Meinung an, denn schließlich ist diese Legierung das einzig bekannte Material, dass auch ohne äußeres Magnetfeld eine einheitliche Orientierung der Spins zeigt.