Magnetismus ohne Metall: Ein Meilenstein für die Materialwissenschaft

Dr. Hongde Yu und Prof. Thomas Heine von der TU Dresden ist es erstmals gelungen, metallfreie magnetische Materialien durch präzise Computersimulationen vorherzusagen. Diese magnetischen zweidimensionalen (2D) Polymere könnten in Zukunft eine wichtige Rolle in der Datenspeicherung, Medizintechnik oder Quantencomputing spielen.

Magnetismus fasziniert die Menschen seit Jahrhunderten: Ob Kinder, die mit Magneten spielen, oder Wissenschaftler:innen, die die fundamentalen Kräfte hinter dem Phänomen erforschen. Es ist weitläufig bekannt, dass Magnetismus in der Natur meist eng mit Metallen verbunden ist – die klassischen Permanentmagnete zum Beispiel basieren auf Eisen oder anderen Metallen.

Nun haben Hongde Yu und Thomas Heine von der Professur für Theoretische Chemie an der TU Dresden erstmals durch Berechnungen gezeigt, dass es möglich ist, Magnetismus auch in rein organischen Materialien zu erzeugen. Als grundlegenden Baustein verwendeten die Wissenschaftler sogenannte Triangulene, dreieckige Moleküle, die ungepaarte Elektronen und somit ein magnetisches Moment besitzen. Wenn man diese Molekülbausteine zu einem 2D-Festkörper verbindet, ordnen sich diese ungepaarten Elektronenspins und erzeugen so ein ferromagnetisches Material.

Das ist fundamental neu, so Hongde Yu. Üblicherweise haben die Elektronenspins in organischen Materialien eine zufällige Orientierung und heben sich somit im Festkörper auf. Durch geeignete chemische Bindungen ordnen sich die Spins im 2D-Kristall an, wodurch ein ferromagnetisches Material entsteht.

Der Magnetismus beruht auf der robusten Kopplung der Elektronenspins zwischen benachbarten molekularen Bausteinen. Im Gegensatz zum Magnetismus in Metallen, wo die Elektronenspins an den Metallatomen lokalisiert sind, sehen wir eine delokalisierte Spindichte, die sich über den gesamten Triangulen-Molekülverbund verteilt. Dabei können sich, je nach Molekülzusammensetzung, sogenannte Stoner-Ferromagnete, bei denen die Spins benachbarter Moleküle parallel sind, oder antiferromagnetische Mott-Isolatoren, wo die Spins benachbarter Moleküle entgegengesetzt sind, bilden, so Heine. Die Entdeckung, dass man magnetische Momente in metallfreien Materialien geordnet koppeln kann, öffnet die Tür für die Entwicklung von magnetischen Materialien, bei denen Metalle unerwünscht sind, z.B. aufgrund ihres Gewichts oder ihrer Toxizität. Metallfreie Magnete könnten sich als robuster und biokompatibler erweisen, was insbesondere in der Medizintechnik von Bedeutung wäre.

Mit dieser bahnbrechenden Arbeit hat das Forschungsteam eine neue Klasse von magnetischen Materialien entdeckt, die nicht nur theoretisch faszinierend ist, sondern auch das Potenzial hat, zukünftige technologische Entwicklungen maßgeblich zu beeinflussen.

Die Forschungsarbeiten wurden maßgeblich über den 2020 gestarteten Sonderforschungsbereich (SFB) 1415 Chemie der synthetischen zweidimensionalen Materialien der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert. Heine ist als Gastwissenschaftler des Center for Advanced Systems Understanding CASUS in Görlitz (ein Institut des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR) an dem kürzlich erfolgreich verlängerten SFB beteiligt.

Originalpublikation: Yu, Hongde und Heine, Thomas. Prediction of metal-free Stoner and Mott-Hubbard magnetism in triangulene-based two-dimensional polymers. Science Advances. Vol 10, Issue 40. DOI: 10.1126/sciadv.adq79

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