- Der tschechische Physiker Libor Šmejkal ließ sich von einem Kunstwerk inspirieren und sagte eine neue Form des Magnetismus (Altermagnetismus) theoretisch voraus
- Bisher waren nur zwei Arten von Magnetismus bekannt: Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus. Nun wurde der Altermagnet als dritte Form des Magnetismus experimentell bestätigt
- Altermagnete haben ein gesamtes Magnetfeld von 0, können aber Spin-Splitting von Elektronen verursachen und so Grenzen der Spintronik überwinden
- Altermagnetische Effekte wurden tatsächlich in Mangan-Tellurid (MnTe), Rutheniumdioxid und weiteren Materialien experimentell nachgewiesen; mehr als 200 Kandidatenmaterialien wurden theoretisch vorgeschlagen
- Das Forschungsteam sagte darüber hinaus Antialtermagnetismus als vierte Form des Magnetismus theoretisch voraus und erweitert damit weiter die Welt des Magnetismus
Geschichte und Entwicklung des Magnetismus
- Magnetismus ist seit dem antiken Griechenland bekannt und wird heute in Schlüsseltechnologien wie Generatoren, Smartphones und Krankenhaus-Scannern eingesetzt
- Das klassische Verständnis von Magnetismus kannte zwei Formen: Ferromagnetismus (eine Struktur, in der alle Spins gleich ausgerichtet sind und dadurch Magnetkraft entsteht) und Antiferromagnetismus (eine Struktur, in der sich die Spinrichtungen aufheben und daher keine sichtbare Magnetkraft entsteht)
- 2022 formulierte Šmejkal auf Basis von Phänomenen, die sich mit diesem Modell nicht erklären ließen, theoretisch den „altermagnetischen“ Zustand
Šmejkals Idee und Eschers Symmetrie
- Er interpretierte magnetische Symmetrie neu, inspiriert von dem sich wiederholenden symmetrischen Muster in M.C. Eschers Werk Horseman
- Ähnlich wie bei herkömmlichen Antiferromagneten wechseln die Spins abwechselnd ihre Richtung, doch es treten magnetische Momente in einer um 90 Grad gedrehten Richtung auf, wodurch letztlich ein Spin-Splitting-Effekt entsteht
- Dadurch wird die Trennung von Elektronenspins in beide Richtungen auch in Strukturen möglich, in denen dies traditionell unmöglich war
Experimenteller Nachweis von Altermagneten
- 2024 beobachtete das Team von Juraj Krempaský am Schweizer PSI-Forschungsinstitut altermagnetische Phänomene in Mangan-Tellurid (MnTe)
- Die Verfolgung der Elektronenbewegung zeigte eine hohe Übereinstimmung mit Šmejkals Theorie
- Anschließend wurde auch in Rutheniumdioxid und weiteren Materialien die Möglichkeit von Altermagnetismus bestätigt
Spintronik und das Potenzial von Altermagneten
- Spintronik ist eine nächste Technologiegeneration, die Elektronenspin zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen nutzt
- Bisher konnten nur Ferromagneten Spin-Splitting bereitstellen, was Grenzen bei Miniaturisierung und Integration setzte
- Altermagnete besitzen ideale Eigenschaften wie Magnetkraft 0 bei möglichem Spin-Splitting, keine Interferenzen, geringen Energieverbrauch und Potenzial zur Miniaturisierung
Entwicklung neuer Materialien und Kommerzialisierungspotenzial
- Durch mechanische Kompression (compressive strain) bei bestehenden Antiferromagneten oder durch heterogene Materialstapelung (sandwich structure) lässt sich die Symmetrie stören und ein altermagnetischer Zustand erzeugen
- Beispiele: komprimiertes Rheniumdioxid sowie geschichtete Antiferromagnete in Multilayer-Strukturen
- Solche künstlichen Methoden könnten jedoch nur begrenzt praxistauglich sein; vielversprechender ist die Suche nach Materialien mit natürlichem Altermagnetismus
- Das Team um Šmejkal leitete mehr als 200 Kandidatenmaterialien theoretisch her
Nächste Schritte zur Kommerzialisierung
- Das Forschungsteam von Oliver Amin demonstrierte, dass sich die magnetische Struktur von MnTe durch Erhitzen und Abkühlen steuern lässt
- Dies gilt als frühe Phase auf dem Weg zu praktisch einsetzbaren Materialien für die Spintronik
- MnTe ist ein Material, das bereits seit mehr als 20 Jahren untersucht wird und sich gut für hochreine Synthese und Experimente eignet
Die vierte Form des Magnetismus: Antialtermagnetismus
- Šmejkal theoretisierte über Altermagnete hinaus auch Antialtermagnete mit einer zickzackförmigen Spin-Symmetriestruktur
- Die Elektronenspins sind symmetrisch angeordnet, sodass zwar keine Gesamtmagnetkraft entsteht, aber Veränderungen der Elektronenpfade Spin-Splitting hervorrufen
- Die Arbeit befindet sich noch vor der Peer-Review, zeigt jedoch die Möglichkeit neuer magnetischer Phänomene auf
Fazit
- Die Entdeckung der Altermagnete ist ein zentraler Wendepunkt, der das Verständnis von Magnetismus erweitert und die praktische Umsetzung der Spintronik beschleunigen kann
- In den kommenden zehn Jahren könnte dies sehr wahrscheinlich zu kommerziell nutzbaren neuen Materialien führen; die Forschung ist bereits sehr aktiv
- Diese von Eschers Symmetrie inspirierte Forschung gilt als ein repräsentatives Beispiel für das Zusammentreffen von Kunst, Mathematik und Physik
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
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So wie ich es verstanden habe, ist der eigentliche Vorteil dieser Technologie ein Festkörperspeicher auf magnetischer Basis.
Herkömmliche magnetische Speichermedien erzeugen Magnetfelder, aber dieses neue Altermagnet-Material reagiert auf externe Magnetfelder, ohne selbst ein Magnetfeld zu erzeugen.
Dadurch lassen sich die Bauteile extrem dicht anordnen, ohne sich um Interferenzen sorgen zu müssen.
Mit schwachen elektrischen Pulsen werden die Bits 0 und 1 gelesen, mit starken Pulsen werden die Bits umgeschaltet.
Da dabei die Atome selbst umgeklappt werden, ohne die Struktur zu beschädigen oder Ladung einzubringen, dürfte die Lebensdauer lang sein und die Zahl der Lese-/Schreibzyklen nahezu unbegrenzt.
Man geht davon aus, dass das mit gewöhnlichen Silizium-Fertigungsprozessen kompatibel sein wird.
Die technische Schlüsselfrage ist allerdings, wie dicht sich die Lesestrukturen tatsächlich anordnen lassen.
Die Erklärung, dass man mit schwachen elektrischen Pulsen den Bitzustand erkennt und ihn mit starken Pulsen umschaltet, bringt den Kern der Sache wirklich hervorragend auf den Punkt.
Beeindruckend, wie das mit einer Art Feynman-ähnlicher Einsicht in einem einzigen Satz perfekt zusammengefasst wird.
Mit einem solchen Speichermedium würde sich nicht nur Festkörperspeicher verbessern, sondern vermutlich auch die Auflösung und Störfestigkeit bei industriellen Sensoren auf Hall-effect-Basis insgesamt deutlich erhöhen.
Tatsächlich lässt sich in diesem Paper nachlesen, dass sich auch bei bestehenden „gewöhnlichen“ magnetischen Materialien die Richtung des Magnetfelds umkehren lässt.
Der Abschnitt „Confirming that altermagnets exist“ im Artikel erklärt die praktischen Einsatzmöglichkeiten ziemlich gut.
Traditionell wurde spinbasierte Informationsspeicherung mit hoher Dichte nur mit Materialien umgesetzt, in denen die Spins von Natur aus ausgerichtet sind, also meist Ferromagneten.
Das Problem ist, dass Ferromagneten starke Magnetfelder mit sich bringen, was einer praktischen Nutzung erheblich im Weg steht.
Die neuen Altermagnete haben zwar gut geordnete Spins, aber auf Ebene der einzelnen Atome