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Jun 13, 2023

Einmal oben, einmal unten – wie wirkt sich die lokale Atomkonfiguration auf den Magnetismus der Legierung aus?

Ein anschauliches Beispiel für die Wirkung und das Ausmaß der Bedeutung von Materialien sind die Namen von Zeitaltern in der Vorgeschichte, wie etwa der Stein-, Bronze- oder Eisenzeit. Die Verwendung dieser Materialien durch Menschen in a

Ein anschauliches Beispiel für die Wirkung und das Ausmaß der Bedeutung von Materialien sind die Namen von Zeitaltern in der Vorgeschichte, wie etwa der Stein-, Bronze- oder Eisenzeit. Die Verwendung dieser Materialien durch die Menschen einer bestimmten Epoche bedeutete einen Durchbruch in der Entwicklung der Menschheit als Spezies.

Die einzigartigen Eigenschaften, die die Verwendung bestimmter Materialien in der Vergangenheit prägten, waren und sind die Härte und die Fähigkeit, sie zu verarbeiten. Ursprünglich dienten sie der Herstellung überlebensnotwendiger Werkzeuge. Derzeit bilden sie jedoch die Grundlage der materiellen Welt um uns herum, und ihre immer umfassendere Nutzung wirkt sich auf die kontinuierliche Verbesserung des Komforts und der Qualität unseres Lebens aus.

Im gegenwärtigen Stadium der Zivilisationsentwicklung können Kunststoffe an die Spitze der kritischen Materialien gestellt werden, die aufgrund ihrer einzigartigen plastischen Eigenschaften in der Vielzahl von Gegenständen zu finden sind, die uns umgeben und die wir täglich verwenden. Ein weiteres Material, das für die breite Öffentlichkeit nicht so offensichtlich, aber ebenso verbreitet und wichtig wie Kunststoff ist, ist Silizium. Die elektrischen Eigenschaften von Silizium, die sogenannte Halbleiterfähigkeit, sind die Grundlage der Elektronik. Im letzteren Fall sind es nicht mehr die Eigenschaften, die bei der Schaffung neuer Objekte hilfreich sind, sondern die inneren physikalischen Wirkungen des Materials, die seine Funktionalität und breite Anwendung bestimmen.

Die wachsende Nachfrage nach neuen Materialien mit funktionellen Eigenschaften hat zur Entdeckung zahlreicher fantastischer Festkörpereffekte geführt. Viele davon stehen im Zusammenhang mit dem physikalischen Phänomen des Magnetismus, das auf der inneren elektronischen Struktur eines bestimmten Materials beruht. Ein Beispiel für solche funktionellen Eigenschaften ist das magnetische Formgedächtnis und der magnetokalorische Effekt, die in magnetischen Formgedächtnislegierungen (FSMA – ferromagnetische Formgedächtnislegierungen) auftreten und eng miteinander verbunden sind. Bei beiden Effekten wird das Phänomen der Veränderung der inneren Kristallstruktur unter dem Einfluss des angelegten Magnetfeldes genutzt. Beim magnetischen Formgedächtniseffekt äußert sich dies in einer Veränderung der Form oder Bewegung des Materials. Der magnetokalorische Effekt beruht auf einer unter dem Einfluss eines Magnetfelds stattfindenden Umwandlung, bei der sich eine Phase niedriger Temperatur mit niedrigem Magnetisierungswert in eine Phase hoher Magnetisierung mit hohem Magnetisierungswert umwandelt. Für die Stärke des Effekts ist der Unterschied in den Magnetisierungswerten der beiden Phasen von entscheidender Bedeutung.

Die prominenten Vertreter der magnetischen Formgedächtnislegierungen sind die Heusler-Legierungen Ni2Mn1+xZ1-x, mit Z = In, Sn, Sb. Heusler-Legierungen sind eine breite Materialklasse mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Abhängig von ihrer Zusammensetzung kann es sich um Metalle, Halbleiter oder Halbmetalle handeln, von denen die meisten magnetisch sind.

Im Rahmen einer engen Zusammenarbeit untersuchten Forscher des NanoBioMedical Center der Adam-Mickiewicz-Universität, des Instituts für Molekularphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Posen und der Universität Linköping (Schweden) die Auswirkungen einer Änderung der Zusammensetzung von Ni2Mn1+xZ1- x-Legierungen (Z = In, Sn, Sb) auf die magnetischen Eigenschaften ihrer Hochtemperaturphase. Mithilfe rechnerischer Methoden erklärten Wissenschaftler die positive, negative und nichtmonotone Natur der bei diesen Legierungen beobachteten Änderungen des magnetischen Moments in Abhängigkeit von der für „Z“ ersetzten Wurzel. Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher ein Modell, das zeigt, wie sich Änderungen der lokalen Atomkonfiguration auf das gesamte magnetische Moment der Legierung auswirken. Darüber hinaus wurden die aus der Verwendung des vorgeschlagenen Modells gewonnenen Schlussfolgerungen experimentell bestätigt. Zu diesem Zweck nutzten die Wissenschaftler das Phänomen der Hystereseschleifenverschiebung im Magnetfeld, den sogenannten „Exchange Bias“-Effekt, der die Existenz von Bereichen bestätigte, die negativ zum gesamten magnetischen Moment in der Ni2Mn1+xSn1-x-Legierung beitragen.

Die Anwendung des entwickelten Modells ist nicht auf die oben genannten Legierungen beschränkt, sondern ermöglicht die Untersuchung physikalischer Eigenschaften, insbesondere des Magnetismus, in Materialien mit nichtstöchiometrischer Zusammensetzung.

Weitere Informationen:Karol Załęski et al., Local atomicConfiguration Approach to the Nonmonotone Konzentrationsabhängigkeit magnetischer Eigenschaften von Ni2Mn1+xZ1−x (Z = In,Sn,Sb) Heusler-Legierungen, Scripta Materialia (2020). DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.113646

Zur Verfügung gestellt von der Adam-Mickiewicz-Universität