von DIRK EIDEMÜLLER
Manchmal ist es in der Wissenschaft wie im normalen Leben: Man denkt, man kennt seine Umgebung genau, bis man plötzlich in einer Nachbarstraße ein ungewöhnliches Haus entdeckt. So ähnlich ist es kürzlich in der Festkörperphysik zugegangen. Neben den bekannten, grundlegenden Typen des Magnetismus ist eine weitere aufgetaucht, mit der man überhaupt nicht gerechnet hatte: der sogenannte Altermagnetismus. Dabei sind die entsprechenden Materialien schon bekannt. Nur hatte niemand damit gerechnet, dass sie ungewöhnliche und neuartige magnetische Eigenschaften aufweisen könnten.
Mittlerweile arbeiten etliche Forschungsgruppen weltweit auf dem rasch expandierenden Gebiet des Altermagnetismus. Das Interessante daran: Diese Materialien bringen einige wünschenswerten Eigenschaften für die elektronische Datenverarbeitung mit sich.
„Es war eine große Überraschung für uns, als Libor Šmejkal, unser Kollege in Mainz, 2019 gemeinsam mit anderen Forschern die Existenz von Altermagneten theoretisch vorhergesagt hat“, erinnert sich Mathias Kläui, Professor für experimentelle Festkörperphysik an der Universität Mainz. Bis dahin ging man davon aus, dass nur zwei grundlegende Typen von magnetischen Materialien existieren, bei denen die Elementarmagnete kollinear ausgerichtet sind: Ferromagnete, bei denen sich alle Elementarmagnete parallel zueinander und zum Beispiel entlang eines äußeren magnetischen Feldes ausrichten, und Antiferromagnete, bei denen sich jeweils zwei Elementarmagnete antiparallel zueinander ausrichten.
Wie die theoretischen Untersuchungen zeigten, kann daneben jedoch eine weitere Form von Magnetismus existieren: der Altermagnetismus. Und diese drei sind die einzigen möglichen Formen des herkömmlichen kollinearen Magnetismus, wie 2021 von Libor Šmejkal, Jairo Sinova und Tomas Jungwirth nachgewiesen wurde. Hinzu treten zwar noch andere Spielarten des Magnetismus: etwa Spinspiralen, die unter anderem zu Skyrmionen führen (bdw 2/2024, „Wirbel mit Potenzial“), oder spezielle, sogenannte frustrierte magnetische Systeme. Sie alle zählen aber nicht zu den Materialien mit kollinearem Magnetismus.
Zu den Ferromagneten gehören insbesondere Eisen und alle Permanentmagnete – auch solche, die am Kühlschrank kleben oder in Elektromotoren ihre Dienste verrichten. Sie haben eine starke, dauerhafte Magnetisierung. Das liegt daran, dass sich die Elementarmagnete im Material gegenseitig verstärken und parallel in dieselbe Richtung weisen.
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.
