Beiträge aus der Wissenschaft

Neue einfache Methode für die Verwandlung von Weichmagneten in Hartmagnete

20.11.2024 12:50

Neue einfache Methode für die Verwandlung von Weichmagneten in Hartmagnete

Ein Forscherteam der Universität Augsburg hat eine bahnbrechende Methode entdeckt, um einen Weichmagneten in einen Hartmagneten zu verwandeln und somit magnetische Materialien zu verbessern: mithilfe einer moderaten einachsigen Spannung, also eines Drucks, der in eine bestimmten Richtung ausgeübt wird. Die Erkenntnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Magnete sind wichtige Bestandteile zahlreicher Gegenstände – von Lautsprechern und Smartphones ebenso wie von Elektromotoren und Windkraftanlagen. Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Magneten ist die Koerzitivität – die Fähigkeit, einer Entmagnetisierung zu widerstehen. Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke, sogenannte Hartmagnete, werden vor allem für Anwendungen benötigt, die einen stabilen Dauermagnetismus erfordern. Diese Hartmagnete sind ein wesentlicher Bestandteil von Technologien für erneuerbare Energien wie Windturbinen und Elektromotoren, die für eine nachhaltige Zukunft von zentraler Bedeutung sind. Magnete, die wir aus dem Alltag kennen, zum Beispiel solche, mit denen Zettel am Kühlschrank hängen, scheinen zwar stark zu sein, sind aber bei weitem nicht so hart wie Magnete, die für schwere Aufgaben wie den Einsatz in einem leistungsstarken Elektromotor benötigt werden.
Durchbruch in der Magnettechnologie

In der Vergangenheit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Techniken angewandt, um die Koerzitivfeldstärke ferromagnetischer Werkstoffe zu erhöhen: Beispielsweise durch Zugabe von Seltenen Erden, durch Veränderung der Korngröße, durch Optimierung der magnetischen Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) oder durch Modifizierung von Oberflächen und Grenzflächen. Diese Methoden sind jedoch oft mit komplexen Prozessen verbunden und führen zu einer Schwächung des Materials oder höheren Kosten.

Forscher und eine Forscherin des Lehrstuhls für Experimentalphysik VI an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität Augsburg haben nun entdeckt, dass sich die Koerzitivfeldstärke des Materials CeAgSb₂, das als weicher, quasi-zweidimensionaler Ferromagnet klassifiziert wird, durch moderaten Druck entlang einer Achse deutlich erhöhen lässt, sodass es zu einem harten Magneten wird.

„Diese Methode ist verblüffend einfach, wurde aber noch nie zuvor beschrieben“, sagt Dr. Bin Shen, Erstautor des wissenschaftliches Aufsatzes und Alexander von Humboldt Postdoc-Stipendiat an der Universität Augsburg. „Es ist faszinierend, dass ein solch einfacher Ansatz zu einem so verblüffenden Ergebnis führen haben kann.“
Die Rolle von Defekten

Der Schlüssel zu dieser Umwandlung von einem weichen in einen harten Magneten liegt vermutlich in der Einführung von Defekten in das Material, die sich als Folge der uniaxialen Spannung ausbilden. Die Defekte fixieren die magnetischen Domänenwände – die Grenzen zwischen den verschiedenen magnetischen Bereichen des Materials. Dieser Pinning-Effekt erhöht die Koerzitivfeldstärke des Materials und macht es widerstandsfähiger gegen Entmagnetisierung.

Es besteht jedoch ein empfindliches Gleichgewicht: Während eine gewisse Anzahl von Defekten notwendig ist, um die Domänenwände zu fixieren und die Koerzitivfeldstärke zu erhöhen, können zu viele Defekte die magnetische Ordnung des Materials stören. Dies kann die Gesamtstruktur des Magneten schwächen und seine Wirksamkeit beeinträchtigen. Und es kommt nicht nur auf die Anzahl der Defekte an, sondern auch auf die Art der Defekte. Die Forschenden vermuten, dass sie eine ganz besondere Art von Defekt entdeckt haben, der die Domänenwände besonders effektiv fixiert, während andere magnetische Eigenschaften weitgehend unbeeinflusst bleiben.

„Wir wissen noch nicht genau, welche Art von Defekt wir eingeführt haben“, erklärt Dr. Anton Jesche, Leiter der Forschungsgruppe am Lehrstuhl für Experimentalphysik VI. „Aber was auch immer es ist, es scheint ein ideales Gleichgewicht zwischen der Erhöhung der Koerzitivkraft und der Erhaltung der strukturellen Integrität des Materials zu sein. Diese Defekte im Detail zu verstehen, wird ein Schwerpunkt der zukünftigen Forschung sein.“
Einfachere, nachhaltigere magnetische Materialien

Die potenziellen Auswirkungen dieser Entdeckung sind enorm. Wenn diese einfache Methode der gerichteten Verspannung auf andere Materialien angewendet werden kann, könnte sie den Weg für eine kostengünstigere und energieeffizientere Produktion von Hartmagneten ebnen und die Abhängigkeit von Seltenen Erden und anderen ressourcenintensiven Verfahren verringern.