Physik Druck macht Magnete schwach

Hoher Druck setzt Dauermagneten zu - US-Forscher haben dies bei Experimenten mit Magnetit, einem stark ferromagnetischen Mineral, festgestellt. Der Effekt beruht auf einem Quantenphänomen und könnte helfen, Magnetismus noch besser zu verstehen.


Was haben Tauben, Weichtiere und ein alter Kompass gemeinsam? Sie alle verdanken ihre Eigenschaft, das Erdmagnetfeld wahrnehmen oder messen zu können, einem eisenhaltigen, ferromagnetischen Mineral - dem Magnetit. Wissenschaftler um Yang Ding vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution in Washington konnten jetzt zeigen, dass die Stärke des Magnetfeldes halbiert wird, wenn man das schwarze Mineral hohem Druck aussetzt. Ihre Ergebnisse werden die Forscher im Fachblatt "Physical Review Letters" veröffentlichen.

Wirkung der Elektronen-Spins: Schülerinnen experimentieren bei "Jugend forscht" in Darmstadt mit einem Magneten
DPA

Wirkung der Elektronen-Spins: Schülerinnen experimentieren bei "Jugend forscht" in Darmstadt mit einem Magneten

Magnetite gehören zu den am stärksten magnetischen Mineralien, die es gibt. In Natur und Technik spielen sie schon lange eine wichtige Rolle. "Sie lassen sich in geringen Mengen in verschiedenen Bakterien, im Gehirn einiger Insekten und sogar im Menschen finden", sagt Yang Ding. "Frühe Seefahrer benutzten Magnetite, um den magnetischen Nordpol zu finden, und Vögel sind aufgrund dieses magnetischen Minerals in der Lage, sich zu orientieren." Mittlerweile setze man es wegen seiner magnetischen Eigenschaften sogar in der Nanotechnologie ein, so Ding.

Um die Vorteile des Magnetits besser nutzen zu können, ist es wichtig, seine magnetischen Eigenschaften zu verstehen. Dings Team hat das Mineral nun mit Hilfe von polarisierten Röntgenstrahlen untersucht, welche die Magnetit-Probe einem enormen Druck aussetzten: dem 120.000-fachen bis 160.000-fachen des atmosphärischen Luftdrucks.

Hoher Druck bewirkt verstärkte Spin-Paarung

Ergebnis des Versuchs: Die Magnetstärke der Probe halbierte sich. Diese Veränderung führen die Wissenschaftler auf ein Quantenphänomen zurück, dass man Elektronen-Spin-Paarung nennt. Ferromagnetismus beruht auf den Spins nicht gepaarter Elektronen. Die Millionen von Spins der Elektronen in dem Material richten sich parallel aus, so entsteht das Magnetfeld eines Ferromagneten. Die parallele Ausrichtung ist jedoch nur möglich, solange die Elektronen nicht gepaart sind, also nur ein Elektron ein Orbital besetzt.

Das Pauli-Prinzip besagt nämlich, dass zwei gepaarte Elektronen, die sich ein Orbital teilen, nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen können. Da es nur die Spins +1/2 und -1/2 gibt, ist das magnetische Moment gepaarter Elektronen gleich Null, denn die wegen des Pauli-Prinzips entgegengesetzt ausgerichteten Spins heben sich auf.

Unter hohem Druck komme es zu einer verstärkten Spin-Paarung von Elektronen und damit zu einer Schwächung des Magneten, schreiben die Forscher. Dies hätten auch theoretische Berechnungen ergeben. Erstmals habe man mit dem Experiment zeigen können, dass Druck solche Elektronenpaarungen verursachen könne. "Mit dieser Erkenntnis lässt sich der Zusammenhang zwischen Magnetismus, Elektronenbewegung und struktureller Stabilität in Materialien wie Magnetit besser verstehen", sagt Ding.

Es überrasche nicht, dass ein bisher unbekanntes Phänomen auftrete, wenn man den ältesten Magneten der Welt, Magnetit, einem hohen Druck aussetze, sagte Ho-kwang Mao, Direktor des High-Pressure Synergetic Consortium in Washington. Mit Druck könne man den Abstand zwischen Elektronen verringern und damit auch ihre Wechselwirkung beeinflussen. In Zukunft wird die Arbeit mit Hochdrucktechnologie sicher noch zu weiteren Entdeckungen führen.

nis



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