Wenn die Chemie stimmt

Materialeigenschaften sind – über die "chemische" Bindung – mit quantenphysikalischen Wechselwirkungen zwischen Atomkernen und Elektronen verknüpft. Der Physiker Raimund Podloucky publizierte über die Abhängigkeit zwischen atomarer Struktur und magnetischer Ordnung in "Physical Review Letters".

Wie macht sich Quantenphysik im täglichen Leben bemerkbar und was steckt hinter der "chemischen" Bindung? "Zur Wellennatur der Elektronen kommt der sogenannte Spin als magnetische Quanteneigenschaft hinzu", erklärt Raimund Podloucky vom Institut für Physikalische Chemie. Zusammen mit seinen Kollegen Florian Mittendorfer und Josef Redinger von der Technischen Universität Wien und Michael Weinert von der University of Wisconsin-Milwaukee zeigt er, wie sich Quantenphysik in messbaren Materialeigenschaften bemerkbar macht.

Vereinfachend kann man einem Atom eine lokale Größe – das magnetische Moment – zuordnen, wenn sich Elektronen mit überwiegend einer Spin-Orientierung in der Nähe des Atomkerns aufhalten. Diese magnetischen Momente können sich im Material verknüpfen und zu komplexen magnetischen Anordnungen führen. Die vorliegenden Ergebnisse konnten im Rahmen der vom FWF geförderten Spezialforschungsbereiche ViCoM und FOXSI erzielt werden.

Magnetische Ordnung von Struktur abhängig

"Wir haben eine einzelne Kobaltoxidschicht von atomarer Dicke auf einer Iridium-Oberfläche untersucht", erklärt Raimund Podloucky. "Unsere Berechnungen haben gezeigt, dass die zweidimensionale magnetische Ordnung der Kobaltatome sehr von der räumlichen Anordnung der Atome in der Oxidschicht abhängig ist. Um diese magnetische Ordnung zu entschlüsseln, braucht man die Theorie, da das Experiment eine solche komplexe Ordnung nicht direkt auflösen kann."

Experiment und Theorie stimmen überein

"Die räumliche Struktur der Oberfläche kann aber gemessen werden", so Raimund Podloucky. Das wurde bereits in einer früheren experimentellen Arbeit von Kollegen nachgewiesen, wobei diese gezwungen waren, 59 strukturelle Parameter zu bestimmen. Diese sehr große Anzahl von Parametern weist auf die Komplexität der Struktur hin. "Die Resultate unserer Berechnung auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) stimmen mit allen experimentell ermittelten Werten überein", freut sich der Physiko-Chemiker. "Wir Theoretiker haben außerdem eine zweite, ähnliche Struktur vorhergesagt, die im Experiment dann auch tatsächlich nach unseren Berechnungen entdeckt wurde." Diese Ergebnisse werden demnächst in einer weiteren Publikation erscheinen.

Leistungsfähige Soft- und Hardware

Für solche Rechnungen sind leistungsfähige Computerprogramme nötig: "Uns steht ein solcher in Form des weltweit bekannten VASP-Pakets (Vienna Ab-initio Simulation Package) zur Verfügung", so Raimund Podloucky. VASP ist eine Entwicklung der Gruppe des Materialphysikers Georg Kresse. "Neben der Kooperation mit Georg Kresse ist vor allem die Ausstattung mit Hardware-Ressourcen, die uns vom Vienna Scientific Cluster (VSC) bereitgestellt werden, für unsere Arbeit wichtig."

Anwendungen in der Materialwissenschaft

Die Forschung im Rahmen der grundlagenorientierten Materialwissenschaften ist nicht nur von rein wissenschaftlichem Interesse. Anwendungsbereiche für Kobaltoxidschichten finden sich in der Katalyse, der Sensortechnik, der Batterietechnologie sowie in der Nanomagnetik. "Die von uns gefundene, sehr starke Verknüpfung von Struktur und magnetischer Ordnung könnte in diesen Bereichen von großem Nutzen sein", betont der Physiko-Chemiker. (ps)

Das Paper "Strain and structure driven complex magnetic ordering of a CoO overlayer on Ir (100)" (AutorInnen: F. Mittendorfer, M. Weinert, R. Podloucky, und J. Redinger erschien am 6. Juli 2012 im Fachjournal "Physical Review Letters".