Eine neue Art des Magnetismus

Spinwellen in Antiferromagneten

Bei Antiferromagneten hingegen zeigen benachbarte Elementarmagnete in jeweils entgegengesetzte Richtung, sodass sich die Magnetisierung im Material gänzlich aufhebt. Deshalb lassen sich Antiferromagnete nicht zur Erzeugung von Magnetfeldern einsetzen. Nichtsdestotrotz gelten sie als interessante Komponenten für künftige elektronische Geräte. Denn sie können auch sogenannte Spinwellen übertragen, mit denen man Informationen kodieren und transportieren will.

Der Spin basiert auf der Rotation der Elektronen, wobei deren Rotationsachse entweder in dieselbe Richtung wie ein Magnetfeld zeigt oder in die entgegengesetzte Richtung. Der Spin ist also eine Art „Magnetnadel“ des Elektrons und gleichzeitig der Ursprung des Magnetfelds.

Bei der Übertragung von Spinwellen geschieht Folgendes: Die Elektronen müssen gar nicht selbst durch ein Material fließen, wie bei gewöhnlichem Strom. Vielmehr kann sich aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen benachbarten Elektronen ein von außen induziertes Umklappen der Spins immer weiter fortpflanzen. Dabei entsteht im Material fast gar keine Abwärme.

Dieses Umklappen kann sich sehr rasch vollziehen. Deshalb lassen sich Antiferromagneten noch wesentlich schneller schalten als Ferromagneten. Während man es bei Ferromagneten immerhin mit Schaltraten im Gigahertz-Bereich zu tun hat, erreichen Antiferromagnete den Terahertz-Bereich und sind damit um rund einen Faktor 1000 schneller. Dieses „Antiferromagnetische Spintronik“ genannte Gebiet ist zwar bislang reine Grundlagenforschung und wird noch eine Weile brauchen, bis es reif ist für den Einsatz im Computerchip. „Es gilt aufgrund dieser Eigenschaften aber als heißer Kandidat für die Elektronik von morgen“, sagt Kläui.

Das Beste aus zwei Welten

Altermagnete vereinen einige der interessantesten Eigenschaften von Ferromagneten und Antiferromagneten. „Wie letztere tragen auch Altermagnete keine Nettomagnetisierung und lassen sich deshalb extrem schnell schalten“, sagt Kläui. Genau wie bei Altermagneten sind benachbarte Elementarmagnete gegenläufig und heben sich deshalb gegenseitig auf. Die Nettomagnetisierung des Materials ist nahe Null.

„Dennoch zeigen sie eine Kopplung zwischen der Bewegung der Elektronen und den Elektronenspins, die bei Antiferromagneten so nicht auftritt und die eher für Ferromagnete typisch ist“, erklärt Kläui. „Man kann Altermagneten deshalb sehr gut mit elektrischem Strom detektieren und dabei eine sehr viel höhere Effizienz erreichen als mit Antiferromagneten.“ Darauf beruht auch der Name der Altermagneten: In der Fachsprache der Festkörperphysik lautet der Terminus für dieses Verhalten „alternierende Spin-Polarisation“.

Auf mikroskopischer Ebene bedeutet das: Elektronen in einem Altermagneten haben jeweils entlang einer Bewegungsrichtung einen bestimmten Spin. Das ist gänzlich unabhängig davon, an welchem Ort im Festkörper sich die Elektronen befinden – allein ihre Bewegungsrichtung entscheidet über ihren Spin. Ändert sich ihre Richtung, ändert sich auch der Spin (bei 90 Grad kehrt sich der Spin beispielsweise komplett um). Dieses Ordnungsphänomen führt zu besonderen Effekten in der sogenannten Bandstruktur, mit der Festkörperphysiker die Energieniveaus der Elektronen beschreiben.

Weitere positive Eigenschaften kommen hinzu: Da Altermagneten keine Nettomagnetisierung haben, werden sie einerseits von äußeren Magnetfeldern weniger stark gestört als Ferromagneten und erzeugen auch selbst keine Streufelder. Sie lassen sich deshalb auch auf deutlich engerem Raum stapeln – ein Vorteil, den sie mit Antiferromagneten teilen. Man könnte also sehr kompakte elektronische Bauteile aus Altermagneten konstruieren. Zudem lassen sie sich im Vergleich zu Antiferromagneten genauso schnell, aber sehr viel einfacher ansteuern. Denn wenn Elektronen in eine Richtung fließen, haben alle Elektronen die gleiche Richtung des Elektronenspins – diese Eigenschaft haben sie wiederum mit Ferromagneten gemein. „Altermagneten vereinigen also in gewisser Hinsicht das Beste aus zwei Welten“, sagt Kläui.

Die Spintronik verspricht schon länger, einen wichtigen Beitrag für die Zukunft der Computertechnologie zu leisten. Altermagnete könnten den Weg dorthin deutlich vereinfachen.

Doch wie konnte es sein, dass diese dritte grundsätzliche Art von Magnetismus so lange unentdeckt blieb? „Das ist in der Tat überraschend“, beschreibt Kläui die Entwicklung. „Es sind eigentlich keine besonders exotischen Materialien, und man hat viele davon auch früher bereits auf ihre magnetischen Eigenschaften untersucht und für normale Antiferromagnete gehalten. Man hat einfach viele Jahre lang nicht genau genug hingeschaut, um das besondere Verhalten der Elektronenspins im Detail zu analysieren, durch das sich Altermagnete von Antiferromagneten unterscheiden.“

Erst durch die Vorarbeit von Theoretikern wie Libor Šmejkal ist es den Festkörperphysikern bewusst geworden, worauf sie achten müssen. Im Fall der Altermagnete hat es rund vier Jahre von den ersten theoretischen Modellen bis zum experimentellen Nachweis gedauert.

Zwei experimentelle Nachweise

„Um die subtilen Effekte zu finden, die Altermagnete von Antiferromagneten unterscheiden, benötigt man sehr exakt definierte Kristalle“, sagt Kläui. Er und sein Team haben Rutheniumdioxid (RuO₂) in einer gepulsten Laserabescheidungsanlage auf Titandioxid (TiO₂) wachsen lassen. Das Titandioxid gab bereits die passende Grundstruktur vor. Dann verbanden sich, bei geeignetem Druck und passender Temperatur, Ruthenium und Sauerstoff Schritt für Schritt zum gewünschten Kristall. „Allein dies war eine jahrelange Entwicklung“, beschreibt der Mainzer Physiker diese Arbeit.

Wie so oft in der Materialwissenschaft mussten alle Parameter sehr fein aufeinander abgestimmt sein. Diese Kristalle untersuchte ein Wissenschaftlerteam um den Mainzer Professor Hans-Joachim Elmers unter anderem mithilfe der intensiven Röntgenstrahlen am Synchrotron PETRA III des Forschungszentrum DESY in Hamburg.

Die alternierende Spin-Polarisation ermittelten die Wissenschaftler mit einem eigens für diese Zwecke entwickelten Impuls-Elektronenmikroskop. Dabei regte das Röntgenlicht die Elektronen im Rutheniumdioxid stark genug an, um sie aus der dünnen Schicht herauszuschlagen. Ein Detektor konnte diese Elektronen dann vermessen, was Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften erlaubte. Mithilfe von zirkular polarisiertem Röntgenlicht wurde auch die Ausrichtung der Elektronenspins sichtbar – und zwar in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen.

Auch der südkoreanische Festkörperphysiker Changyoung Kim hat nun mit seinem Team von der Universität Seoul einen Altermagneten experimentell identifizieren können. Die Wissenschaftler haben mit einem anderen Material gearbeitet. „Unsere Wahl fiel auf Mangantellurid“, sagt Kim. „Auch von diesem Material dachte man immer, es sei einfach antiferromagnetisch.“

Materialherstellung und Analyse geschahen ganz ähnlich wie bei Rutheniumdioxid. „Wir haben unsere Probe ebenfalls mittels Molekularstrahlepitaxie erzeugt und anschließend spektroskopisch vermessen“, erläutert Kim. Die Messdaten passten sehr gut zu theoretischen Vorhersagen und Simulationen. Auch eine europäische Forschergruppe um Juraj Krempaský vom Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen konnte die altermagnetischen Eigenschaften von Mangantellurid nachweisen, wie sie im Februar 2024 in der Fachzeitschrift nature berichtete. Damit gelten die ersten beiden Typen von Altermagneten als experimentell verifiziert.

Elektronik mit Spintronik

Was bedeutet das nun für technologische Anwendungen? „Vorerst geht es bei der Spintronik noch um Grundlagenforschung“, bremst Kim allzu eilige Erwartungen. Doch altermagnetische Materialien kommen gleich für mehrere Einsatzbereiche infrage. Eine interessante Möglichkeit auf mittlere Sicht ist der Mobilfunk, wenn wesentlich höhere Datenmengen übertragen werden sollen als heute. Für den „Post-6G-Mobilfunk“ sind extrem schnell schaltbare Komponenten erforderlich, wie Altermagnete sie möglich machen.

Mithilfe eines Antiferromagneten konnte kürzlich ein hochfrequenter Emitter im Terahertzbereich demonstriert werden. Die Frequenz ist rund tausendmal so hoch wie bei den heutigen 5G-
Netzen. Praxistauglich ist der neue Prototyp jedoch nicht, weil die Strahlungsleistung für einen Einsatz im Mobilfunk noch viel zu schwach ist. Altermagnete könnten das ändern, denn sie koppeln wesentlich besser an elektrische Felder, die man zu ihrer Steuerung einsetzt. Nach den Berechnungen sollte auch ihre Strahlungsleistung deutlich höher sein.

„Man kann hier keine klare Einschätzung abgeben, wie lange die Entwicklung solcher Bauteile noch braucht“, sagt Kim. „Einerseits müssen wir erst noch geeignete Materialien herstellen. Andererseits muss auch die Massenproduktion noch etabliert werden.“ Er schätzt, dass derartige Komponenten vielleicht in rund zehn Jahren erhältlich sein könnten.

Altermagnete sind für viele Bereiche interessant. „In letzter Zeit ist die Forschung zu diesem Gebiet regelrecht explodiert“, ergänzt Kläui. „Es gibt schon große Workshops dazu, und wir erwarten, dass eine ganze Reihe altermagnetischer Materialien auf Herz und Nieren geprüft wird.“ Und wenn die Eigenschaften mehrerer solcher Materialien erst einmal bekannt sind, wird es richtig spannend: Dann lassen sich nämlich gezielt auch Kompositmateralien erzeugen.

Da die heutige, auf Silizium basierende Computer- und Kommunikationstechnik immer mehr an physikalische Grenzen stößt, sind vor allem solche Materialien interessant, die sich mit Silizium verbinden lassen. Rutheniumdioxid besitzt den Vorzug, dass es potenziell mit Silizium verträglich ist. Aber die Forscher dürften noch viele weitere altermagnetische Materialien finden.

Auch in der Sensortechnik könnten Altermagnete zum Einsatz kommen. In Mainz ist der Altermagnetismus deshalb bereits Teil des Sonderforschungsbereichs Spin+X. Hier untersuchen Festkörperphysiker, Chemiker und Materialforscher gemeinsam die Möglichkeiten dieses neuartigen Magnetismustyps. Man darf gespannt sein, wie sich die Technologie weiterentwickelt. Vielleicht schwappen ja schon in einigen Jahren Spinwellen durch unsere Handys.