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Forschungsprojekt - Kurzfassung

"Seltenerd-freie magnetische Materialien"

Eisen-dotiertes Lithiumnitrid stellt ein neuartiges magnetisches System dar, in dem sich Eisen in vielen Aspekten wie ein Seltenerd-Element verhält. Insbesondere zeigt sich eine äußerst starke magnetische Anisotropie, welche die Grundlage für viele Anwendungen und Modellsysteme bildet. So ist es gerade diese Eigenschaft, die Permanentmagneten in Windturbinen und Elektromotoren ihre ‘Permanenz’ verleiht. Ursache des ungewöhnlichen Verhaltens von Eisen-dotiertem Lithiumnitrid ist der Beitrag des orbitalen magnetischen Momentes des Eisens. Dieser ist nicht, wie normalerweise in Festkörpern beobachtet, durch das Kristallfeld unterdrückt. Die hieraus resultierende magnetische Anisotropie und Koerzitivität übertrifft selbst etablierte Hartmagnete bei weitem.

Das Projekt zielt zunächst darauf, diese Verbindung als Modellsystem zu etablieren. Hierzu sollen Einkristalle höchster Qualität gezüchtet, grundlegend charakterisiert und in Kooperation mit spezialisierten Arbeitsgruppen analysiert werden. Die gewonnenen Erkentnisse sollen direkt bei der Suche nach neuen Materialien eingesetzt werden. Die außergewöhnliche lokale Umgebung von Eisen in Lithiumnitrid liefert hierfür einen ersten Anhaltspunkt. So befindet sich das Eisenatom exakt zwischen zwei Stickstoffatomen als nächste Nachbarn, also in linearer, zweifacher Koordination. Bekannte Verbindungen mit entsprechender Kristallstruktur sowie verwandte Systeme sollen synthetisiert und sorgfältig analysiert werden.

Ein wichtiges Ziel des Forschungsprojektes ist es, die magnetische Ordnung solcher lokaler Momente zu untersuchen und gezielt zu beeinflussen, zum Beispiel durch Dotierung oder dem Anlegen von Druck. Dies kann zunächst an Lithiumnitrid getestet werden. Basierend auf den dabei erzielten Ergebnissen soll die Suche nach magnetisch geordneten, orbitalen Momenten ausgeweitet werden - auch über das strukturelle Motiv der linearen, zweifachen Koordination hinaus.

Übergangsmetallverbindungen mit ungequenchten orbitalen Momenten sind sowohl von technologischer Relevanz als auch von Interesse für die Grundlagenforschung. Ersteres ist unmittelbar an der Preisentwicklung von Seltenerd-Elementen zu erkennen, deren Kosten sich in den letzten Jahren teilweise verzehnfacht haben. Gelingt es, einen harten, Seltenerd-freien Permanentmagneten mit hinreichend hoher Ordnungstemperatur und Energieprodukt zu finden, so wäre dies von großem wirtschaftlichen Interesse. Neben diesen eher praktischen Beweggründen können völlig neuartige magnetische Modellsysteme realisiert werden. Grundlage hierfür ist das außergewöhnliche Wechselspiel von Spin-Bahn-Kopplung und Kristallfeld-Effekten. Letztere stellen für Seltenerd-Elemente lediglich eine schwache Störung dar, während für Übergangsmetalle beide Effekte von vergleichbarer Stärke sein können. Eben hierauf basieren die einzigartigen magnetischen Eigenschaften von Eisen-dotiertem Lithiumnitrid, die es nun im Detail zu verstehen gilt.