Ein Forschungsteam des Tokyo Science Center hat kürzlich eine neue Methode vorgestellt, mit der sich Ferromagnetismus bei Raumtemperatur erzeugen und eine negative thermische Ausdehnung im multiferroischen Material Bismutferrit beobachten lässt. Durch die Substitution von Bismut- und Eisenionen mit Kationen wird die Spinstruktur verändert, wodurch die gewünschten magnetischen und thermischen Eigenschaften erzielt werden. Diese Forschung dürfte eine neue Materialgrundlage für die Entwicklung von Speichermedien der nächsten Generation liefern.

Bismutferrit ist ein multiferroisches Material, das bei Raumtemperatur sowohl Ferroelektrizität als auch Antiferromagnetismus aufweist. Seine natürliche helikale Spinstruktur hebt jedoch die Nettomagnetisierung auf und schränkt somit seine Anwendung in magnetischen Bauelementen ein. Das Forschungsteam verfolgte eine Strategie der doppelten Substitution: Einige Eisenionen wurden durch 4d/5d-Übergangsmetalle mit stärkerer Spin-Bahn-Kopplung ersetzt, während gleichzeitig Calciumionen eingeführt wurden, um einige Bismutionen zu ersetzen und so die Ladungsbilanz aufrechtzuerhalten. Diese von Professor Masaki Higashi vom Tokyo Science Center und Forschern der Sumitomo Chemical Co., Ltd. geleitete Studie wurde am 28. November 2025 online im *Journal of the American Chemical Society* veröffentlicht.

Masaki Tung erklärte: „Wir haben entdeckt, dass die gleichzeitige Substitution von Eisen durch Ruthenium oder Iridium und von Bismut durch Calcium die helikale Modulation unterdrücken und bei Raumtemperatur einen geneigten, schwachen Ferromagnetismus erzeugen kann, während die polare Kristallstruktur erhalten bleibt.“ Die experimentell hergestellte Verbindung zeigt bei Raumtemperatur einen ausgeprägten Ferromagnetismus mit einer fast viermal höheren Koerzitivfeldstärke als frühere kobaltsubstituierte Proben. Dies ist vorteilhaft für die Stabilität der Datenspeicherung in zukünftigen multiferroischen Speichern.

Darüber hinaus verändert die doppelte Substitution das thermische Verhalten des Materials signifikant. Die Studie ergab, dass diese Methode die Temperatur, bei der das Material seine Ferroelektrizität verliert, senken und eine negative thermische Ausdehnung nahe Raumtemperatur induzieren kann, d. h. eine Volumenverringerung beim Erhitzen. Eine bestimmte Komponente zeigte im Temperaturbereich von 6 °C bis 147 °C eine Volumenschrumpfung von ca. 1,77 %. Diese Eigenschaft birgt Potenzial für die Behebung von Problemen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien in elektronischen Bauteilen entstehen.

Diese Forschungsergebnisse zeigen, dass sich die Spinstruktur und das thermische Verhalten von Perowskitoxiden durch die gezielte Auswahl der Substituenten-Ionenkombination effektiv steuern lassen. Dies eröffnet einen neuen Ansatz für die Entwicklung multifunktionaler Materialplattformen, die magnetoelektrische Kopplung und Wärmeausdehnungskontrolle vereinen. „Diese Erkenntnisse eröffnen neue Wege für die Entwicklung multifunktionaler Materialien, die magnetoelektrische Kopplung und Wärmeausdehnungskontrolle kombinieren, und bieten Potenzial für zukünftige Speichertechnologien und fortschrittliche Strukturbauteile“, so Masaki Higashi. Weitere Informationen: Kano Hatayama et al., „Realization of Tilted Spin Weak Ferromagnetism and Negative Thermal Expansion in A-Site and B-Site Substituted Bismuth Ferrites“, veröffentlicht im *Journal of the American Chemical Society* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Journal of the American Chemical Society*