Atomdünne Schichten pushen die Power von Permanentmagneten

Eine Studie zeigt, wie Defekte auf atomarer Ebene die Leistung von Permanentmagneten steigern – und warum Korngrenzen weniger kritisch sind als lange gedacht.

Winzige Defekte auf atomarer Skala können die Leistungsfähigkeit permanenter Magnete deutlich erhöhen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität Darmstadt berichtet in der Fachzeitschrift Nature Communications, wie gezielt gestaltete Nanostrukturen die Stabilität und Effizienz von Hochleistungsmagneten verbessern.

Untersucht wurde demnach ein Samarium-Kobalt-Magnet des Typs Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇, der für seine thermische und chemische Stabilität bekannt ist. Mithilfe magnetischer Messungen, verschiedener Mikroskopieverfahren und mikromagnetischer Simulationen analysierten die Forschenden die innere Struktur des Materials bis auf atomare Ebene.

Kupferschichten stoppen Entmagnetisierung

Dabei zeigte sich: Besonders leistungsstarke Magnete besitzen an der Grenze einer zentralen inneren Phase eine extrem dünne, kupferreiche Schicht von nur ein bis zwei Atomen. Diese wirke als Barriere gegen Entmagnetisierung und ermögliche einen zuverlässigen Betrieb auch unter extremen Bedingungen.

Zudem widerspricht die Studie eine lange verbreitete Annahme. Korngrenzen, also Übergänge zwischen unterschiedlich orientierten Kristallbereichen, hätten sich nicht als maßgebliche Schwachstellen erwiesen. Stattdessen liege das Verbesserungspotenzial in den kristallinen Bereichen selbst. Dort führten präzise abgestimmte atomare Anordnungen zu höherer magnetischer Stabilität.

Perfekte Defekte

Durch den Abgleich von Experimenten und Simulationen identifizierte das Team sogenannte "perfekte Defekte" als entscheidende Mikrostrukturelemente für den stärksten und stabilsten Magnetzustand. Die Ergebnisse sollen künftig helfen, leistungsfähigere Magnete gezielt zu entwickeln – ohne langwierige Versuchsreihen. 

Beteiligt waren neben der TU Darmstadt unter anderem das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, das Forschungszentrum Jülich, die University of Glasgow,  die Uni Duisburg-Essen sowie der Industriepartner Vacuumschmelze.