Altermagnetismus: Forscher weisen neue magnetische Phase in Mangantellurid nach

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Fast jeder kennt die zwei typischen Arten von Magnetismus: Ferromagnetismus, bei dem sich alle magnetischen Momente gleichrichten (wie beim Kühlschrankmagneten), und Antiferromagnetismus, bei dem sich die magnetischen Momente gegenseitig aufheben. Anfang 2024 haben Forscher eine dritte Form zwischen diesen beiden entdeckt – den Altermagnetismus ("anderer Magnetismus"). Wissenschaftler von der Universität Nottingham konnten diese neue magnetische Phase nun in dem Material Mangantellurid (MnTe) nachweisen und mit hochauflösenden Methoden direkt beobachten, wie sie in der Dezemberausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature berichten. Dazu führten sie Experimente am "Max IV"-Labor in Schweden durch.

Prof. Peter Wadley von der University of Nottingham fasst die Besonderheiten wie folgt zusammen: "Altermagnete bestehen aus magnetischen Momenten, die antiparallel zu ihren Nachbarn ausgerichtet sind. Allerdings ist jeder Teil des Kristalls, der diese winzigen Momente beherbergt, gegenüber seinen Nachbarn verdreht. Das ist wie Antiferromagnetismus mit einem Twist! Aber dieser feine Unterschied hat weitreichende Auswirkungen".

Durch die besondere Anordnung der magnetischen Momente (Spins) zeigt das Material nach außen keine Magnetisierung, intern weist es aber magnetische Eigenschaften auf, die für neue technische Anwendungen interessant sind. Die Spin-Polarisation altermagnetischer Stoffe ähnelt der von Hochtemperatursupraleitern, so die Wissenschaftler. Diese Eigenschaft ermöglicht die Beobachtung neuartiger Effekte wie des anomalen Hall-Effekts, ohne dass dafür ein äußeres Magnetfeld erforderlich ist. Da diese Materialien weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren Magnetfeldern sind, eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in modernen elektronischen Geräten, die neben der elektrischen Ladung auch den Eigendrehimpuls (Spin) der Elektronen zur Informationsverarbeitung nutzen – Spinelektronik oder Spintronik genannt.

Ein weiterer bedeutender Vorteil ist die große Bandbreite möglicher Materialien, die altermagnetische Eigenschaften aufweisen können: von Isolatoren über Halbleiter bis hin zu Metallen und Supraleitern. Die Einsatzmöglichkeiten reichen somit prinzipiell von der Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente über die Integration in spintronische Geräte zur Verbesserung ihrer Effizienz und Robustheit bis hin zur Erforschung und Nutzung topologischer Phänomene in der Quanteninformationstechnologie. Die Tatsache, dass Altermagnetismus in so unterschiedlichen Materialklassen auftreten kann, macht dieses Forschungsgebiet besonders vielversprechend für zukünftige technologische Entwicklungen.

Experimentelle Visualisierung

Um die altermagnetische Ordnung in MnTe sichtbar zu machen, kombinierte Wadleys Team zwei Röntgenmethoden: den zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (XMCD) und den linearen magnetischen Röntgendichroismus (XMLD). Zusammen ermöglichen es diese Methoden, die Ausrichtung des sogenannten Altermagnetisierungsvektors L, der die altermagnetische Ordnung charakterisiert, mit einer Auflösung von bis zu 10 Nanometern zu bestimmen, heißt es in dem Nature-Artikel.

Die 30 Nanometer dünnen MnTe-Schichten stellten die Forschenden mit Molekularstrahlepitaxie her, einem Verfahren zur kontrollierten Abscheidung kristalliner Materialien. Durch gezielte Strukturierung der Schichten in Hexagon- und Dreiecksformen konnten sie die Bildung verschiedener altermagnetischer Texturen steuern. Zudem gelang es ihnen nach eigenen Aussagen durch spezielle Abkühlverfahren in Magnetfeldern, die Richtung des L-Vektors in einzelnen Domänen gezielt einzustellen und Mikrostrukturen mit nur einer magnetischen Domäne zu erzeugen.

Mögliche Anwendung in Speicherelementen

Solche Strukturen könnten die Grundlage für neuartige, auf dem Altermagnetismus basierende Speicherelemente in der Spintronik bilden. Ähnlich wie Ferromagneten zeigen Altermagnete starke Spin-Strom-Effekte, die das Auslesen und Schreiben von Informationen ermöglichen. Auch schnellere Schaltzeiten als bei konventionellen magnetischen Speichern seien laut den Forschern denkbar. "Unsere experimentelle Arbeit hat eine Brücke zwischen theoretischen Konzepten und ihrer praktischen Umsetzung geschlagen, die hoffentlich den Weg zur Entwicklung altermagnetischer Materialien für praktische Anwendungen aufzeigt", sagt Oliver Amin, einer der Co-Autoren der Veröffentlichung.

Altermagnetismus wurde Anfang 2024 fast zeitgleich in drei verschiedenen Materialien experimentell nachgewiesen, nachdem er 2020 von Theoretikern um Libor Šmejkal vorhergesagt worden war. Die nun von Wadley und Kollegen demonstrierte Abbildung und kontrollierte Erzeugung altermagnetischer Zustände ebnet den Weg für die weitere Erforschung des Phänomens und seine technologische Nutzung in den kommenden Jahren.

(vza)