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Magnetostriktion auf atomarer Basis

Durch das Anlegen eines Magnetfeldes verändern sich magnetische Materialien geringfügig in ihrer Länge, was man als Magnetostriktion bezeichnet. Dieser Effekt ist als „100 Hertz-Brummen“ bei Transformatoren deutlich hörbar und bekannt. Technologisch findet die Magnetostriktion in Spannungs- oder Kraftsensoren aber auch in Mikroaktuatoren Anwendung. Erstmals gelang es einer Gruppe von FestkörperphysikerInnen der Technischen Universität (TU) Wien Magnetostriktion an Materialien auf atomarer Basis zu messen und die damit verbundene Verschiebung einzelner Atome zu bestimmen.

Roland Grössinger und Reiko Sato

Roland Grössinger und Reiko Sato

Roland Grössinger und Reiko Sato

Roland Grössinger und Reiko Sato

Wien (TU). – Magnetostriktion war bisher nur makroskopisch messbar. Ein ein Meter langer Eisenstab verändert seine Länge bei Anlegen eines magnetischen Feldes beispielsweise um etwa 10 µm. „Die Längenänderung ist im Allgemeinen also sehr klein, dennoch spielt dieser Effekt in der Technik eine wichtige Rolle. Hörbar wird die Magnetostriktion vor allem als „Brummen“ bei Trafos. Oft herrscht die Meinung, dieses Brummen würde vom Strom verursacht. Der wahre Grund für das Brummen ist aber die Magnetostriktion der Trafobleche. Um diese unerwünschten Geräusche zu reduzieren würde man sich Transformatorbleche mit einer geringen Magnetostriktion wünschen. Unser Ziel war es neue und preiswerte Materialien mit hoher Magnetostriktion zu entwickeln, die speziell in der Sensor- aber auch in der Mikrotechnik Anwendung finden könnten“, erläutert Professor Roland Grössinger vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.

Zusammen mit Dr. Reiko Sato, Projektassistentin am Institut, führte Grössinger am Synchrotron (ESRF), in Grenoble, ein Experiment durch, in dem es gelang die Koppelung atomarer magnetischer Momente an das Gitter, nachzuweisen. In enger Zusammenarbeit mit WissenschafterInnen des Synchrotrons (Dr. Pascarelli und Dr. Buffoni) konnte im Experiment elementspezifisch die lokale Verschiebung einzelner Atome an einer dünnen, nanokristallinen Eisen-Gallium-Probe bestimmt werden. „Am Institut können wir neue Legierungen herstellen und diese im Anschluss magnetisch messen. Das Verhalten in Bezug auf die Magnetostriktion ist stark unterschiedlich für verschiedene Elemente wie zum Beispiel Eisen, Kobalt, Nickel oder dem unmagnetischen Gallium. Bei dem hier beschriebenen ESRF-Experiment wird mit einem Röntgenstrahl eine bestimmte Energie in das Material hineingeschossen und damit elementspezifisch Atome angeregt. Diese erzeugen selbst wieder Röntgenstrahlen, die von der Umgebung mehrfach gestreut werden. Dadurch entsteht ein ganz spezielles Beugungsmuster, das man mit und ohne externes Magnetfeld messen kann und so die lokale Verschiebung der Atome „sichtbar“ wird“, so Grössinger. Damit ist es erstmals gelungen, die Magnetostriktion mikroskopisch auf atomarer Basis in Femtometerbereich zu messen. „Man kann dann wirklich sagen, welche Atome an einer bestimmten Gitterposition für die Magnetostriktion verantwortlich sind“, ergänzt Grössinger. Eisen-Gallium (Fe-Ga) ist eine neue Substanzklasse in der infolge der Gallium-Substitution eine 20-fache Erhöhung der Magnetostriktion gegenüber reinem Eisen gefunden wurde. Durch dieses neue Experiment konnte die hohe Magnetostriktion dieses Materials durch lokale Verzerrungen infolge der Gallium Substitution erklärt werden.

Die Arbeit ist am 3. Oktober in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (PRL 101, 147202 (2008) erschienen.  

Fotodownload: https://www.tuwien.ac.at/index.php?id=8094

Rückfragehinweis:
Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Roland Grössinger
Institut für Festkörperphysik                      
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8 // 138, 1040 Wien
T +43/1/58801 - 13150
F +43/1/58801 - 13151
E roland.groessinger@tuwien.ac.at

Aussender:
Mag. Daniela Hallegger
TU Wien - PR und Kommunikation
Operngasse 11/E011, A-1040 Wien
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