Forschungsteam hat in einer geschichteten Materialstruktur experimentelle Belege für eine neuartige Form des Magnetismus entdeckt. Die als Altermagnetismus bekannte Eigenschaft verbindet Merkmale von Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus und könnte künftig die Entwicklung von extrem schnellen, energieeffizienten Elektronik- und Spintronik-Bauteilen ermöglichen.
Um die ultraschnellen Computer der kommenden Generation zu konstruieren, blicken Wissenschaftler längst nicht mehr nur auf die elektrische Ladung von Elektronen. Sie richten ihr Augenmerk verstärkt auf deren Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin. Während herkömmliche Hardware ausschließlich auf den Stromfluss von Ladungsträgern setzt, könnte die Nutzung dieser quantenmechanischen Eigenschaft die Datenverarbeitung grundlegend verändern. Ein internationales Forschungsteam hat nun einen vielversprechenden Materialkandidaten identifiziert, der diesen Weg ebnen könnte.
Experimentelle Entdeckung in Co₁/₄TaSe₂
Dieses Material enthält magnetische Kobaltatome. Die Entdeckung bietet der Forschung eine vielseitige Plattform, um diese ungewöhnliche magnetische Phase zu untersuchen und zukünftige elektronische sowie spintronische Technologien voranzutreiben.
Altermagnetismus vereint nützliche Eigenschaften zweier bekannter Magnetismus-Formen. Ähnlich wie Antiferromagneten erzeugen diese Materialien keine störenden magnetischen Streufelder, die benachbarte Bauteile auf einem Schaltkreis stören könnten. Gleichzeitig besitzen sie jedoch Eigenschaften von Ferromagneten: Sie können Spinströme erzeugen und detektieren, also den gezielten Transport von Elektronenspins durch das Material.
Madhab Neupane, Physik-Professor an der University of Central Florida, sagte: „Diese Materialien unterscheiden sich von konventionelleren Antiferromagneten durch ihre Fähigkeit, Spinströme zu erzeugen und zu detektieren, ohne den negativen Effekt von Streufeldern zu erzeugen. Diese neue Eigenschaft macht sie sehr gut für den Einsatz in vielen verschiedenen Anwendungen geeignet – beispielsweise in der Spintronik, ultraschnellen Speichergeräten, Terahertz-Netzwerken und energieeffizienten Elektronik.
Einsatz hochauflösender Analyseverfahren zur Elektronenstruktur
Um die Existenz des Altermagnetismus in Co₁/₄TaSe₂ zweifelsfrei zu belegen, mussten die Forscher präzise Einblicke in das Verhalten der Elektronen gewinnen. Dabei kam eine Methode namens winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie, kurz ARPES, zum Einsatz. Mit diesem Verfahren lässt sich die Energie sowie die Bewegung von Elektronen exakt messen, um die elektronische Struktur eines Materials zu kartieren.
Die Messungen erforderten hochreine Proben, da Photoelektronenmessungen extrem empfindlich auf Oberflächenverunreinigungen reagieren. Nachdem Kollaborationspartner geeignete Proben hergestellt hatten, prüften die Arbeitsgruppen diese im Labor vor der detaillierten Analyse sorgfältig auf ultra-saubere Oberflächen. Die experimentellen Untersuchungen fanden unter anderem an nationalen Synchrotron-Einrichtungen statt, darunter die Advanced Light Source am Lawrence Berkeley National Laboratory sowie die Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.
Spindateien und Bandaufspaltung als Beleg für den Quantenzustand
Das Team kombinierte verschiedene Messansätze, um die theoretischen Vorhersagen zu überprüfen. Zunächst nutzten die Wissenschaftler hochauflösende Methoden, die unempfindlich gegenüber dem Elektronenspin sind, um die Aufspaltung der Energieniveaus zu erfassen.
Im Anschluss ergänzten sie diese Daten durch spinaufgelöste ARPES-Messungen. Dabei zeigte sich, dass die aufgespaltenen elektronischen Bänder entgegengesetzte Spinpolarisationen aufweisen – ein entscheidender Beleg für den altermagnetischen Zustand. Sobald die experimentellen Daten mit den theoretischen Modellen übereinstimmten, war der Nachweis erbracht.
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