Organisches Schwefel-Stickstoff-Radikal zeigt Ferromagnetismus bei tiefen Temperaturen
Beim Stichwort Magnet denkt man sofort an Metall. Auch für Wissenschaftler war es lange Zeit schwer vorstellbar, dass es ferromagnetische Stoffe geben könnte, die kein Metallatom enthalten. Anfang der 1990er Jahre wurde dann der erste organische Ferromagnet entdeckt, weitere folgten. Allerdings nehmen sie erst bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt eine magnetische Ordnung an. Ein Forscherteam um Jeremy M. Rawson, University of Cambridge, hat nun eine organische Substanz entwickelt, die bei 1,3 K (das entspricht -271,85 °C) ferromagnetisch wird. Sie ist damit die zweite neutrale organische Verbindung mit einer Umwandlungstemperatur (Curie-Punkt) oberhalb von 1 K.
Voraussetzung für Ferromagnetismus ist, dass eine Verbindung ein freies, ungepaartes Elektron enthält. Solche Verbindungen nennt man Radikale. Der Eigendrehimpuls des Elektrons, der Spin, spielt dabei die entscheidende Rolle. Die Elektronenspins benachbarter Moleküle stehen bei Ferromagnetika in einem intensiven Kontakt. Innerhalb kleiner abgegrenzter Bereiche richten sie sich parallel aus. Da die Richtung als solche jedoch willkürlich ist, hebt sich der Effekt insgesamt auf. Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, ordnen sich alle Spins parallel in Richtung der Feldlinien an. Diese Magnetisierung bleibt auch nach Abschalten des Magnetfeldes teilweise erhalten.
Bereits vor einigen Jahren hatte eine Gruppe um Rawson ein neutrales organisches Radikal entdeckt, das bei erstaunlichen 36 K einen allerdings nur schwachen Magnetismus zeigt. Ausgehend von diesem Thiazyl-Molekül suchten Rawson und seine Mitstreiter nun nach eng verwandten Verbindungen mit starkem Ferromagnetismus - und wurden fündig. Der Treffer ist ein aromatischer Kohlenstoff-Sechsring, der vier Fluoratome sowie eine Nitro-Gruppe (NO2) trägt und mit einem weiteren Ring verknüpft ist. Dieser zweite Ring besteht aus einem Kohlenstoff-, zwei Stickstoff- und zwei Schwefelatomen und trägt das freie Elektron, das für die magnetischen Eigenschaften der Kristalle verantwortlich ist. Kontakte zwischen den Schwefel- und Stickstoffatomen benachbarter Moleküle sorgen für die Ausbreitung magnetischer Wechselwirkungen innerhalb des Kristalls. Die Orbitale (Elektronenbahnen) der ungepaarten Elektronen von benachbarten Molekülen liegen dabei fast senkrecht zu einander. Dies begünstigt die ferromagnetische Wechselwirkung, wie die Forscher vermuten.
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