Magnetismus hat eine neue Form? Wissenschaftler entdecken Wechselmagnetismus!

Li Zhaoying

Magnetismus ist ein Konzept, mit dem wir in unserem Leben sehr vertraut sind. Basierend auf den unterschiedlichen Anordnungen des Magnetismus sind theoretisch 1421 Arten von Magnetismus zu erwarten, und viele wurden experimentell entdeckt. Am 14. Februar dieses Jahres zeigte eine neue Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, dass Wissenschaftler zum ersten Mal durch experimentelle Messungen die Existenz einer neuen magnetischen Form bestätigt haben – des Altermagnetismus.

Um zu verstehen, was versetzter Magnetismus ist, beginnen wir mit den bekanntesten Phänomenen Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus.

Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus

Die Magnete, mit denen wir im täglichen Leben in Kontakt kommen, wie Kühlschrankmagnete und Türstopper, sind allesamt Ferromagnete, und ihr Magnetismus wird Ferromagnetismus genannt. Die magnetischen Eigenschaften eines Materials beruhen hauptsächlich auf dem Verhalten seiner inneren Elektronen. Aus mikroskopischer Sicht ist jedes Elektron wie ein kleiner Stabmagnet. Die Richtung des magnetischen Moments eines Elektrons steht in direktem Zusammenhang mit seinem Spin (d. h. dem intrinsischen magnetischen Moment des Elektrons).

Ob ein Atom ein magnetisches Moment besitzt, hängt eng mit der Verteilung seiner Elektronen zusammen. Wenn Elektronen in einem Atom auf derselben Umlaufbahn gepaart sind, führen die Prinzipien der Quantenmechanik dazu, dass sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, sodass sich die durch ihre jeweiligen magnetischen Momente erzeugten Magnetfelder gegenseitig aufheben können. Dies führt dazu, dass die Atome selbst kein magnetisches Nettomoment besitzen und das aus diesen Atomen bestehende Material als Ganzes daher keinen Ferromagnetismus aufweist. Allerdings haben die Atome einiger Elemente, wie etwa Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan und der meisten Seltenerdelemente, viele ungepaarte Elektronen in ihrer äußersten Schicht. Sobald die Spins dieser Elektronen in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, wird ein schwaches magnetisches Moment erzeugt, d. h. das Netto-Magnetmoment des Atoms ist nicht Null. Darüber hinaus erzeugt die Umlaufbewegung von Elektronen innerhalb eines Atoms auch ein magnetisches Moment, dieses ist jedoch im Allgemeinen viel kleiner als das magnetische Spinmoment. Das gesamte magnetische Moment des Atoms ist das Ergebnis der Kopplung des magnetischen Spinmoments und des magnetischen Bahnmoments. Unter bestimmten Temperaturbedingungen bilden die magnetischen Momente magnetischer Atome kleine magnetische Domänen im Inneren des Materials, die größeren Magneten entsprechen. Wenn die Anordnungsrichtungen dieser magnetischen Domänen gleich bleiben, verfügt das Material insgesamt über ein relativ großes Magnetfeld, wodurch das Material ferromagnetisch wird.

Ferromagnete haben viele praktische technische Anwendungen, beispielsweise als magnetische Speichereinheiten in Computern, da die Elektronenspins in Ferromagneten durch Anlegen eines zusätzlichen Magnetfelds umgedreht werden können, wodurch unterschiedliche magnetische und nichtmagnetische Zustände erzeugt werden, die als „1“ und „0“ gespeichert werden. Die starke Spinkorrelation von Ferromagneten hat zu einem Forschungsgebiet namens Spinelektronik geführt. Im Gegensatz zur traditionellen Elektronikforschung, bei der nur die Ladung der Elektronen berücksichtigt wird, nutzen spintronische Geräte auch den Spinzustand der Elektronen, um weitere Informationen zu übertragen.

Lange Zeit wurde Magnetismus mit Ferromagnetismus gleichgesetzt. Doch in den 1930er Jahren entdeckten der Physiker Louis Néel und andere eine andere Art von Magnetismus: den Antiferromagnetismus.

Bei einem Antiferromagneten zeigen die magnetischen Momente der Atome nicht alle in eine Richtung, sondern wechseln sich ab, wobei die magnetischen Momente der beiden nächstgelegenen benachbarten Atome gleich groß und in entgegengesetzter Richtung sind. Daher heben sich auf makroskopischer Ebene die durch die inneren magnetischen Momente von Antiferromagneten erzeugten Magnetfelder gegenseitig auf und es tritt kein offensichtlicher makroskopischer Magnetfeldeffekt auf. Kühlschrankmagnete aus diesem Material können daher nicht am Kühlschrank haften. Wissenschaftler haben auch viel über die Anwendung von Antiferromagneten im Bereich der Spinelektronik geforscht, es gibt jedoch noch nicht viele praktische Anwendungen.

Versetzte Magnete

Vor einigen Jahren suchten Physiker nach antiferromagnetischen Materialien, als sie auf eine seltsame Verbindung stießen: Rutheniumdioxid. Rutheniumdioxid hat kein magnetisches Nettomoment, was fast dasselbe ist wie bei einem Antiferromagneten, bei dem die Spins abwechselnd angeordnet sind. Gleichzeitig verhält sich das Material bei Durchgang eines elektrischen Stroms wie ein Ferromagnet. Wissenschaftler haben diese Eigenschaft von Rutheniumdioxid durch Experimente bestätigt.

Im Jahr 2021 hatten Wissenschaftler die Idee, ein Material zu erhalten, das zwischen Ferromagneten und Antiferromagneten liegt. Vereinfacht ausgedrückt besteht ihre Lösung darin, sich nicht vorzustellen, dass die Spin-magnetischen Momente dieser Atome mit den Atomen selbst verbunden sind, sondern dass man sich besser vorstellen sollte, dass die Spin-magnetischen Momente unabhängig von den Atomen selbst rotieren können, sodass an diesem Material Operationen durchgeführt werden können, während die gleiche magnetische Struktur erhalten bleibt. In solchen Materialien können die magnetischen Spinmomente immer noch abwechselnd angeordnet sein, aber da die eigenen Umlaufbahnen der Atome nur schwach an ihre Spins gekoppelt sind, kann man davon ausgehen, dass die Atome selbst in der Lage sind, sich weiter zu drehen. Wir können diese Situation anhand eines einfachen Beispiels veranschaulichen: Wenn Sie jedes zweite Atom in einem Ferromagneten um 90 Grad drehen und dann das magnetische Spinmoment dieser Atome um 180 Grad umkehren, ist das Ergebnis – wenn Sie das magnetische Spinmoment betrachten, sieht es wie ein Antiferromagnet aus, wenn Sie sich jedoch die Art und Weise ansehen, wie sich Elektronen innerhalb des Materials bewegen, neigen sie dazu, sich entlang der Richtung der Atome mit der gleichen „Ausrichtung“ zu bewegen, sodass es tatsächlich eher wie ein Ferromagnet aussieht.

Es ist nicht nur Rutheniumdioxid, es gibt tatsächlich eine ganze Klasse von Materialien, die diese Art von Magnetismus aufweisen können, die als versetzter Magnetismus bezeichnet werden kann.

Die Eigenschaften der meisten magnetischen Materialien hängen davon ab, ob das Magnetfeld jedes Atoms, dargestellt durch seinen Spin, nach oben (rosa) oder nach unten (gelb) zeigt. Bei alternierenden Magneten rotieren die Spins der Atome und Elektronen unabhängig voneinander, was ihnen sowohl Eigenschaften von Ferromagneten als auch von Antiferromagneten verleiht.

Im Jahr 2022 sagten Theoretiker mehr als 200 Kandidatenmaterialien voraus, bei denen es sich um versetzte Magnete aus verschiedenen Isolatoren, Halbleitern und Metallen handeln könnte. Viele dieser Materialien waren in der Vergangenheit bekannt und wurden ausführlich untersucht, aber niemand hatte ihre vernetzte magnetische Natur bemerkt. Da vernetzte Magnete ein großes Anwendungspotenzial haben, haben Forscher mit der Suche begonnen.

Mangantellurid

In der neuesten Studie konzentrierten sich die Forscher auf einen einfachen Kristall namens Mangantellurid. Mangantellurid ist ein binäres Material, das lange Zeit als typischer Antiferromagnet galt, da die magnetischen Momente seiner benachbarten Manganatome in entgegengesetzte Richtungen zeigen und somit kein externes Magnetfeld um das Material herum erzeugt wird.

In einem Photoemissionsexperiment manipulierten sie die Polarisationsrichtung des auf den Mangantelluridkristall scheinenden Lichts auf Grundlage theoretischer Vorhersagen. Sie maßen die Bandstruktur des Materials mithilfe des winkelauflösenden Photoelektronenspektrometers einer Synchrotronstrahlungsanlage, um die Eigenschaften der Elektronenenergie- und Impulsverteilung im Kristall besser zu verstehen. Sie stellten dann fest, dass die elektronischen Zustände im Mangantellurid trotz des Fehlens eines externen Magnetfelds immer noch eine starke Spinaufspaltung aufwiesen und dass diese Spinaufspaltung vollständig mit den auf Grundlage quantenmechanischer Berechnungen für gestaffelten Magnetismus vorhergesagten Ergebnissen übereinstimmte.

Mit anderen Worten beweist die neue Forschung, dass Mangantellurid weder ein typischer Antiferromagnet noch ein typischer Ferromagnet ist, sondern ein alternierender Magnet mit unterschiedlichen Spin-Magnetmomenten und Atomorientierungen.

Oder wird eine technologische Revolution anführen

Die Entdeckung versetzter Magnete ist für die Spinelektronik von großer Bedeutung. Das Feld wächst und vor kurzem sind mehrere andere Studien erschienen, die verschiedene andere Eigenschaften von verschachtelten Magneten bestätigen. Daher könnte die Entdeckung des versetzten Magnetismus nur der Beginn einer aufregenden neuen Ära im Magnetismus sein.

Link zum Artikel: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06907-7

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autorenname: Li Zhaoying

Bewertet von: Luo Huiqian

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.