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Forschungsarbeit

Molekulare Magnete – wie klein kann ein Magnet sein?

Von Florian Auras

Filme und Bilder in immer höherer Auflösung, das komplette Fernsehprogramm auf Abruf im Internet und gigantische Mengen an Nutzerdaten – der weltweite Bedarf an Speicherkapazität wächst rasant. Würde man die weltweit digital gespeicherten Daten auf A4-Seiten ausdrucken, so ergäbe dies schätzungsweise zwölf Stapel, die jeweils von der Erde bis zum Mond reichen. So ist es nicht verwunderlich, dass intensiv nach Möglichkeiten gesucht wird, Speicherkapazität und Lese-/Schreibgeschwindigkeit von digitalen Speichern wie beispielsweise Festplatten zu verbessern.

Festplatten speichern Informationen durch gezielte Magnetisierung einer Speicherschicht. Diese Schicht ist unterteilt in Sektoren, von denen jeder durch die Ausrichtung seines magnetischen Moments ein Bit repräsentiert. Es ist leicht ersichtlich, dass die Größe eines einzelnen Sektors die Speicherdichte, also die Menge an Information pro Fläche und damit auch die Kapazität einer Festplatte bestimmt. Ziel unserer Forschung ist es, Materialien zu entwickeln, bei denen bereits ein einzelnes Molekül in der Lage ist, ein Bit darzustellen.

Ein möglicher Ansatz für die Realisierung solcher permanentmagnetischer Moleküle ist das Design metallorganischer Verbindungen, die, analog zu den seit vielen Jahren verbreiteten Metalllegierungen, sowohl Nebengruppenelemente mit ihren gerichteten magnetischen Momenten als auch Lanthanoide mit ihren teilweise sehr großen Momenten enthalten.Um Modelle für das komplexe Verhalten metallorganischer Lanthanoidverbindungen anpassen und weiterentwickeln zu können, synthetisierten und charakterisierten wir eine Reihe einfacher Substanzen, die zwei- oder dreiwertige Seltenerdmetallionen umgeben von organischen Liganden besitzen (Abbildungen 1 und 2).


Synthese von Lanthanoid(III)alkylaluminaten[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1. Synthese von Lanthanoid(III)alkylaluminaten
Strukturfragment von Ce(AlMe4)3[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2. Strukturfragment von Ce(AlMe4)3

Bei ausreichend hohen Temperaturen (üblicherweise > 50 K) zeigten alle untersuchten Substanzen Curie-Weiss-Paramagnetismus. Bei tieferen Temperaturen mussten Modelle zur Beschreibung verwendet werden, in denen weitere Effekte berücksichtigt sind. 

Einen Sonderfall stellen die Sm(II)-Verbindungen dar, bei denen der Grundzustand ausgehend vom Russell-Saunders-Kopplungsschema kein effektives Moment besitzt. Trotzdem sind diese Materialien paramagnetisch mit vergleichsweise hohem effektiven Moment. Hier gelang eine Beschreibung der Messdaten durch Einbeziehung thermisch angeregter Zustände.

Weitergehende theoretische Rechnungen sind notwendig um ein vollständiges Verständnis der magnetischen Eigenschaften dieser metallorganischen Verbindungen zu erreichen und auf diese Weise einen entscheidenden Schritt in der Entwicklung lanthanoid-basierter permanentmagnetischer Moleküle weiterzukommen.  


Florian Auras
Florian Auras
* 1982

Stationen
  • 2003 – 2006
  • Studium der Materialwissenschaften an der Universität Augsburg
  • 2006 – 2008
  • Elitestudiengang Advanced Materials Science an der TU München, der LMU München und der Universität Augsburg
  • 2008
  • Stipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes
  • 2008
  • Dreimonatiger Forschungsaufenthalt an der Universität Bergen, Norwegen
  • Seit 2008
  • Promotion am Laboratorium für anorganische Chemie an der ETH Zürich