Entdeckung neuer grundlegender Physik – Experimente beweisen die Existenz einer neuen Art von Magnetismus

Experimente an einer Schweizer Lichtquelle SLS Beweisen Sie die Existenz einer neuen 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. Über die experimentelle Entdeckung dieses neuen Zweigs des Magnetismus wurde in berichtet 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. Experimentelle Beweise für einen dritten Zweig des Magnetismus, den sogenannten alternativen Magnetismus, wurden an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) durch eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Tschechischen Akademie der Wissenschaften mit dem Paul Scherrer Institut (PSI) 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. In antiferromagnetischen Materialien zeigen die Spins in wechselnde Richtungen, was dazu führt, dass das Material kein makroskopisches Magnetisierungsnetzwerk aufweist – und daher nicht am Kühlschrank haftet. 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.

Entdeckung und Eigenschaften von Ersatzmagneten

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.

In der Zeitschrift Nature berichten Forscher über die Entdeckung einer neuen Art von fundamentalem Magnetismus, dem sogenannten „alternativen Magnetismus“. Hier steht Juraj Krembaski, Wissenschaftler am PSI und Erstautor der Publikation, an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, wo experimentelle Beweise für alternativen Magnetismus präsentiert werden. Quelle: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambigovic

Implikationen für die Spintronik

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 den bitinformationstragenden 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 sowie die starken spinabhängigen Phänomene, die typischerweise bei Ferromagneten zu finden sind – Vorteile, die im Prinzip als unvereinbar galten.

„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 bis zu den jüngsten theoretischen Vorhersagen für unmöglich hielten, ist tatsächlich möglich.“

Theoretische Vorhersagen und experimentelle Überprüfung

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 haben mehr als zweihundert Kandidaten für alternativen Magnetismus in Materialien entdeckt, die von Isolatoren bis hin zu reichen HalbleiterFür Metalle und Supraleiter. 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.

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 Antiferromagnet noch ein klassischer Ferromagnet ist, sondern zum neuen Zweig gehört.“ des alternativen Magnetismus“, sagt Juraj Krembaski, Beamline-Wissenschaftler in der Gruppe Beamline Optics Group am PSI und Erstautor der Studie: „From Magnetic Materials“.

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. Sie haben einen so wichtigen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt und sind für uns sehr beeindruckend“, fügt Krempaski hinzu.

Fazit und zukünftige Richtungen

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 seit Jahrzehnten vor Augen haben, ohne dass wir es bemerkt haben“, sagt Jungwirth. „Und es ist nicht etwas, das nur in einigen wenigen unbekannten Materialien existiert.“ Man findet es in vielen Kristallen, die Menschen in ihren Schubladen aufbewahren. In diesem Sinne werden jetzt, da wir diese Idee ans Licht gebracht haben, viel mehr Menschen auf der ganzen Welt in der Lage sein, daran zu arbeiten, was das Potenzial für eine weitreichende Wirkung eröffnet.

Referenz: „Magnetische Levitation des Cramer-Spin-Zerfalls“ 14. Februar 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06907-7