Magnetische Werkstoffe sind seit Jahrhunderten ein Eckpfeiler des technischen Fortschritts, wobei die Anwendungen vom einfachen Kompass bis hin zu hochentwickelten Magnetresonanztomographen (MRT) reichen. In dem Maße, wie unser Verständnis der grundlegenden Eigenschaften der Materie gewachsen ist, hat sich auch unsere Fähigkeit verbessert, magnetische Materialien mit beispielloser Präzision zu manipulieren und zu entwickeln. Dieser Artikel befasst sich mit der Spitzenforschung und den Anwendungen auf dem Gebiet der magnetischen Materialien und hebt die spannenden Durchbrüche hervor, die die Grenzen des Möglichen in diesem sich rasch entwickelnden Bereich von Wissenschaft und Technologie verschieben.
Fortschritte bei magnetischen Materialien
Die Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften wurde durch Fortschritte bei der Materialsynthese und den Charakterisierungsverfahren vorangetrieben. Zu den vielversprechendsten jüngsten Fortschritten gehört die Herstellung von:
- 1. Austauschgekoppelte Materialien
- 2. Magnetische topologische Materialien
- 3. Magnetische Skyrmionen
1. Austauschgekoppelte Materialien
Austauschgekoppelte Materialien (ECMs) sind Verbundstrukturen, die aus zwei oder mehr ferromagnetischen Schichten bestehen, die durch eine nichtmagnetische Abstandsschicht getrennt sind. Durch sorgfältige Planung der Dicke und Zusammensetzung der Schichten können die Forscher die magnetischen Eigenschaften der resultierenden Struktur maßschneidern. Dieser Ansatz hat zur Entwicklung von Materialien mit verbesserten magnetischen Eigenschaften geführt, z. B. erhöhter Koerzitivkraft (Widerstand gegen Entmagnetisierung) und Remanenz (Restmagnetisierung nach Entmagnetisierung).
2. Magnetische topologische Materialien
Topologische Materialien sind eine Klasse von Materialien, die sich durch ihre einzigartigen elektronischen Bandstrukturen auszeichnen, die sich topologisch von denen herkömmlicher Materialien unterscheiden. Im Zusammenhang mit magnetischen Materialien hat dieser Bereich zur Entdeckung topologischer Isolatoren geführt, die in ihrer Masse isolierend sind, aber entlang ihrer Oberfläche oder Kantenzustände Elektrizität leiten. Diese Materialien weisen faszinierende Eigenschaften auf, wie z. B. Oberflächenzustände mit Spin-Momentum-Locking, die in spintronischen Geräten und im Quantencomputing Anwendung finden könnten.
3. Magnetische Skyrmionen
Magnetische Skyrmionen sind topologische Defekte in magnetischen Materialien, die eine wirbelartige Spintextur aufweisen. Diese spannenden Quasiteilchen haben aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in Datenspeicher- und Informationsverarbeitungsgeräten der nächsten Generation große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Skyrmionen sind selbst bei Raumtemperatur äußerst stabil und können mit sehr geringen Stromdichten manipuliert werden, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für energieeffiziente spintronische Geräte macht.
Neue Anwendungen von magnetischen Materialien
Die Fortschritte in der Forschung zu magnetischen Materialien haben den Weg für eine neue Generation von Geräten und Technologien geebnet, die die einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien nutzen. Einige der spannendsten neuen Anwendungen sind: