Forscher weisen neue Magnetismus-Art erstmals nach

Im Jahr 2022 sagte eine Forschergruppe aus Tschechien eine neue Form des Magnetismus theoretisch voraus – den „Altermagnetismus“. Nun gelang einem Team unter Beteiligung der Universität Linz der erste experimentelle Nachweis dieses Phänomens. Altermagnete könnten auf Grund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften eine große Rolle in einer neuen Form der elektronischen Schaltungen, der „Spin-Elektronik“, spielen, sagte der Physiker Gunther Springholz im APA-Gespräch.

Bisher ging man von nur zwei verschiedenen Arten von Magnetismus aus: einem ferromagnetischen und einem antiferromagnetischen Zweig. Unter ersterem versteht man das Phänomen, dass in einem Material die magnetischen Momente (Spins) der Atome, aus denen es aufgebaut ist, alle in eine Richtung ausgerichtet sind. Das erzeugt zwei entgegengesetzte magnetische Pole und somit einen von außen wahrnehmbaren, makroskopischen Magnetismus mit Anziehung und Abstoßung, so wie es bei landläufigen Magneten bekannt ist.

In antiferromagnetischen Materialien sind im Gegensatz dazu die magnetischen Momente benachbarter Atome immer entgegengesetzt zueinander ausgerichtet. Es herrscht dort also Magnetismus, allerdings heben sich die unterschiedlichen Polen insgesamt auf und können somit keine „Fernwirkung“ entfalten, also kein „Fernfeld“ entwickeln, so Springholz, der an der Abteilung für Halbleiterphysik der Uni Linz tätig ist.

„Das Besondere an Altermagneten ist, dass diese zwar auch eine antiferromagnetische Ordnung aufweisen, spezielle Kristallsymmetrien aber bewirken, dass die Elektronen trotzdem eine bevorzugte magnetische Ausrichtung besitzen“, so der Forscher. Aufgrund dieser Eigenschaften kann damit ein sogenannter „Spinstrom“ hervorgerufen werden. Schickt man elektrischen Strom durch einen Altermagneten, dann zeigen die magnetischen Momente der Elektronen plötzlich kollektiv in eine Richtung (Nordpol oder Südpol) – je nachdem, in welche Richtung der Strom fließt.

All das ist interessant, da sich mit einem Altermagnet in Miniaturformat neuartige Transistoren bauen ließen. Das führt in den Bereich der „Spin-Elektronik“, wo man „die Eigenschaften des Spins der Elektronen zur Informationsverarbeitung“ zu nutzen versucht, erklärte Springholz. Beim „Spin-Transistor“ würde der Spinstrom sehr schnell und mit sehr geringem Energieverlust geschaltet werden, womit sehr leistungsfähige, aber auch gleichzeitig sehr energieeffiziente Computerchips hergestellt werden könnten.

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Das ließe sich zwar prinzipiell auch mit Ferromagneten machen. Solche Schaltkreise bräuchten aufgrund des magnetischen Fernfeldes aber relativ viel Platz. Mit Altermagneten könnten hingegen sehr energiesparende Computerchips gebaut werden, in die letztlich mehr Schaltkreise gepackt werden könnten, als das mit herkömmlichen Methoden der Fall ist.

Dementsprechend intensiv ist man auf der Suche nach solchen Materialien. Mit einem aussichtsreichen Kandidaten dafür – nämlich Kristallen aus Mangantellurid – sind die Linzer Forscher und ihre tschechischen Kollegen bereits seit einigen Jahren vertraut. Gemeinsam mit Wissenschaftern der „Swiss Light Source“ des Paul Scherrer Instituts in Villingen (Schweiz), von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften sowie Kollegen aus Lausanne, Pilsen und Mainz ging man der Sache nun auf den Grund.

Die Materialproben wurden im Linzer Reinraum unter Ultrahochvakuum-Bedingungen hergestellt und mit einem speziellen batteriebetriebenen Vakuumkoffer zum Synchrotron in die Schweiz gebracht. Dort konnte mittels Photoemissionsspektroskopie tatsächlich nachgewiesen werden, dass es sich um einen Altermagneten handelt, wie die Forscher kürzlich im Fachmagazin „Nature“ berichteten. In der Arbeit konnte man also tatsächlich „erstmalig die Existenz einer völlig neuartigen Klasse von magnetischen Materialien experimentell nachweisen“, so Springholz.

Bis zu einer technologischen Umsetzung sei es allerdings noch ein weiter Weg. So gebe es noch viele Fragen zur externen Kontrolle der Spin-Orientierung. Außerdem suche man weiter nach altermagnetischen Materialien, die das gewünschte Verhalten in aus technischer Sicht günstigeren Temperaturbereichen an den Tag legen, erklärte Springholz.

doi.org

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