Eine neue Art von Magnetismus mit weitreichenden Auswirkungen auf Technologie und Forschung

Jetzt gibt es Zuwachs in der magnetischen Familie: Dank Experimenten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS haben Forscher die Existenz eines alternativen Magnetismus nachgewiesen. Die experimentelle Entdeckung dieses neuen Zweigs des Magnetismus ist erwähnt In Natur Es bedeutet eine neue Grundlagenphysik mit großen Auswirkungen auf die Spintronik.

Magnetismus ist viel mehr als nur Dinge, die an Ihrem Kühlschrank haften. Dieses Verständnis entstand mit der Entdeckung der Antimagnete vor fast einem Jahrhundert. Seitdem wird die Familie der magnetischen Materialien in zwei Grundstufen unterteilt: den seit Jahrtausenden bekannten ferromagnetischen Zweig und den antimagnetischen Zweig.

Durch eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Tschechischen Akademie der Wissenschaften mit dem Paul Scherrer Institut PSI wurden an der Schweizer Lichtquelle SLS experimentelle Beweise für einen dritten Zweig des Magnetismus, den sogenannten alternativen Magnetismus, erbracht.

Die fundamentalen magnetischen Phasen werden durch spezifische spontane Anordnungen der magnetischen Momente – oder Elektronenspins – und der die Momente tragenden Atome in den Kristallen bestimmt.

Ferromagnete sind die Art von Magneten, die an Ihrem Kühlschrank haften: Hier zeigen die Spins in die gleiche Richtung, was zu mikroskopischem Magnetismus führt. Bei antiferromagnetischen Materialien zeigen die Spins in wechselnde Richtungen, was dazu führt, dass das Material kein makroskopisches Magnetisierungsnetzwerk aufweist und daher nicht am Gefrierschrank haften bleibt. Obwohl andere Arten von Magnetismus klassifiziert wurden, wie z. B. Magnetismus und Paramagnetismus, beschreiben sie eher spezifische Reaktionen auf von außen angelegte Magnetfelder als eine spontane magnetische Anordnung in Materialien.

Ersatzmagnete weisen eine spezielle Kombination aus Spinanordnung und Kristallsymmetrien auf. Die Spins wechseln sich wie bei Antimagneten ab, was zu keiner Nettomagnetisierung führt. Anstatt die Symmetrien jedoch einfach aufzuheben, ergeben die Symmetrien eine elektronische Bandstruktur mit starker Spinpolarisation, deren Richtung beim Durchgang durch die Energiebänder des Materials schwankt, daher der Name Substituentenmagnete. Dadurch ergeben sich sehr nützliche Eigenschaften, die denen von Ferromagneten ähneln, aber auch einige völlig neue Eigenschaften.

Mein neuer und nützlicher Bruder

Dieser dritte magnetische Bruder bietet deutliche Vorteile für den Entwicklungsbereich der nächsten Generation der Magnetspeichertechnologie, der sogenannten Spintronik. Während die Elektronik lediglich die Ladung von Elektronen nutzt, nutzt die Spinelektronik auch den Spinzustand von Elektronen zur Informationsübertragung aus.

Obwohl die Spintronik seit vielen Jahren verspricht, die Informationstechnologie zu revolutionieren, steckt sie noch in den Kinderschuhen. Typischerweise wurden für solche Geräte Ferromagnete verwendet, da sie einige äußerst wünschenswerte spinabhängige starke physikalische Phänomene bieten. Die makroskopische Nettomagnetisierung, die in vielen anderen Anwendungen nützlich ist, führt jedoch zu praktischen Einschränkungen der Skalierbarkeit dieser Geräte, da sie Interferenzen zwischen Bits (den informationstragenden Elementen in der Datenspeicherung) verursacht.

In jüngster Zeit wurden Antimagnete für die Spintronik untersucht, da sie die fehlende Nettomagnetisierung ausnutzen und somit eine überlegene Skalierbarkeit und Energieeffizienz bieten. Allerdings fehlen die starken spinabhängigen Effekte, die bei Ferromagneten so nützlich sind, was wiederum ihre praktische Anwendbarkeit erschwert.

Hier betreten wir das Feld der alternativen Magnete, die das Beste aus beidem haben: Netto-Null-Magnetisierung gepaart mit den starken spinabhängigen Phänomenen, die typischerweise bei Ferromagneten zu finden sind, Vorteile, die im Prinzip als unvereinbar angesehen wurden.

„Das ist die Magie alternativer Magnete“, sagt Thomas Jungwirth vom Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, der leitende Forscher der Studie. „Etwas, was die Leute für unmöglich hielten, bis aktuelle theoretische Vorhersagen ans Licht kamen [showed it] „Es ist tatsächlich möglich.“

Die Suche läuft

Gerüchte über die Existenz einer neuen Art von Magnetismus begannen vor nicht allzu langer Zeit: 2019 identifizierten Jungwirth und andere Theoretiker der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Mainz eine Klasse magnetischer Materialien mit einer Spinstruktur, die nicht zu klassischen Beschreibungen passt . Ferromagnetismus oder Antimagnetismus.

Im Jahr 2022 veröffentlichten Theoretiker ihre Vorhersagen zur Existenz alternativen Magnetismus. Sie entdeckten mehr als zweihundert alternative Magnetkandidaten in Materialien von Isolatoren und Halbleitern bis hin zu Metallen und Supraleitern. Viele dieser Materialien waren in der Vergangenheit gut bekannt und wurden umfassend erforscht, ohne dass ihre alternative magnetische Natur zur Kenntnis genommen wurde. Angesichts der enormen Forschungs- und Anwendungsmöglichkeiten, die der alternative Magnetismus bietet, haben diese Vorhersagen in der Community für große Aufregung gesorgt. Die Suche dauerte an.

Röntgenaufnahmen liefern den Beweis

Um direkte experimentelle Beweise für die Existenz alternativen Magnetismus zu erhalten, müssen die einzigartigen Spinsymmetrieeigenschaften aufgeklärt werden, die bei alternativen Magneten erwartet werden. Der Beweis wurde mithilfe rotatorischer und winkelförmiger optischer Emissionsspektroskopie am SIS (Endpunkt von COPHEE) und den ADRESS-Strahllinien von SLS erbracht. Diese Technik ermöglichte es dem Team, ein klares Merkmal in der elektronischen Struktur eines vermuteten alternativen Magneten zu visualisieren: die Aufspaltung elektronischer Bänder, die verschiedenen Spinzuständen entsprechen, bekannt als Cramer-Spin-Entartungslift.

Die Entdeckung wurde in Kristallen von Mangantellurid gemacht, einer bekannten einfachen Zweikomponentensubstanz. Traditionell wurde das Material als klassischer Ferromagnet betrachtet, da die magnetischen Momente benachbarter Manganatome in entgegengesetzte Richtungen zeigen und eine evaneszente Nettomagnetisierung erzeugen.

Antimagnete sollten jedoch keine hohe Cramer-Spin-Entartung in der magnetischen Ordnung aufweisen, während dies bei Ferromagneten oder Substituentenmagneten der Fall sein sollte. Als Wissenschaftler einen Anstieg des Cramer-Spinzerfalls sahen, der mit einer verschwindenden Nettomagnetisierung einherging, wussten sie, dass sie nach einem alternativen Magneten suchten.

„Dank der hohen Präzision und Empfindlichkeit unserer Messungen konnten wir die charakteristische alternierende Aufspaltung der Energieniveaus entsprechend entgegengesetzten Spinzuständen nachweisen und damit beweisen, dass Mangantellurid weder ein klassischer Antimagnet noch ein klassischer Ferromagnet ist, sondern zum neuen Zweig gehört.“ des alternativen Magnetismus“, sagt Juraj Krempaski, Beamline-Wissenschaftler bei der Beamline Group. Optics Group am PSI und Erstautor der Studie.

Die Strahllinien, die diese Entdeckung ermöglichten, wurden inzwischen abgebaut und warten auf ein SLS 2.0-Upgrade. Nach zwanzig Jahren erfolgreicher Wissenschaft wird die letzte COPHEE-Station vollständig in die neue Strahllinie „QUEST“ integriert. „Wir haben diese Experimente mit den letzten Photonen des Lichts bei COPHEE durchgeführt. Dass sie einen so wichtigen wissenschaftlichen Durchbruch gebracht haben, ist für uns sehr emotional“, fügt Krempaski hinzu.

„Da wir dies nun hervorgehoben haben, können mehr Menschen auf der ganzen Welt daran arbeiten.“

Die Forscher glauben, dass diese grundlegende neue Entdeckung des Magnetismus unser Verständnis der Physik der kondensierten Materie bereichern und sich gleichzeitig auf verschiedene Bereiche der Forschung und Technologie auswirken wird. Zusätzlich zu ihren Vorteilen im sich entwickelnden Bereich der Spintronik bieten sie auch eine vielversprechende Plattform für die Erforschung unkonventioneller Supraleitung durch neue Einblicke in die supraleitenden Zustände, die in verschiedenen magnetischen Materialien auftreten können.

„Alternativer Magnetismus ist eigentlich nichts sehr Kompliziertes. Es ist etwas ganz Grundlegendes, das wir jahrzehntelang direkt vor Augen hatten, ohne dass wir es bemerkten“, sagt Jungwirth. „Und es kommt nicht nur in ein paar unbekannten Substanzen vor. Es kommt in vielen Kristallen vor, die die Menschen einfach in ihren Schubladen aufbewahren würden. In diesem Sinne werden es viele Menschen auf der ganzen Welt tun, nachdem wir Licht ins Dunkel gebracht haben in der Lage sein, daran zu arbeiten und es möglich zu machen, eine breite Wirkung zu erzielen.“