Altermagneten: Neue Art von Magnetismus bewiesen

Neben Ferromagneten und Antiferromagneten ist nun auch die Existenz von Altermagneten bewiesen worden. Sie wurde bereits 2019 in einer Studie vorhergesagt.

Artikel veröffentlicht am 17. Februar 2024, 12:24 Uhr, Patrick Klapetz

Wechselnde Magnet- und Kristallmuster in altermagnetischem Mangantellurid (links) und Rutheniumdioxid (rechts). (Bild: Libor Smejkal, Wikipedia)

Eine internationale Forschungsgruppe (unter anderem vom Paul-Scherrer-Institut in Villigen in der Schweiz und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz) hat die Existenz eines Altermagneten bestätigt. Dafür haben sie die Elektronenstruktur in einem Kristall (Mangantellurid) gemessen. Von diesem Kristall wurde bisher angenommen, dass er antiferromagnetisch sei.

Bis zum 20. Jahrhundert ging man davon aus, dass es nur eine Art von Dauermagneten gibt: den Ferromagneten. Seine Wirkung zeigt sich in Objekten mit relativ starken äußeren Magnetfeldern wie Kühlschrankmagneten oder Kompassnadeln. Diese Felder werden dadurch verursacht, dass sich die magnetischen Spins der Elektronen des Magneten in eine Richtung ausrichten.

Die neuen Arten des Magnetismus

In den 1930er-Jahren wurde der Antiferromagnetismus entdeckt. Bei ihm zeigen die Spins der Elektronen abwechselnd nach oben und unten. Obwohl Antiferromagneten die externen Felder von Ferromagneten fehlen, zeigen sie aufgrund der wechselnden Spins interne magnetische Eigenschaften.

Es gibt aber noch den Altermagnetismus. Bereits im Jahr 2019 hatte ein Forschungsteam einen anomalen Hall-Effekt vorausgesagt. In der Kristallstruktur bestimmter Antiferromagneten soll es einen verblüffenden elektrischen Strom geben, der mit der herkömmlichen Theorie der alternierenden Spins nicht erklärt werden konnte. Der Strom bewegte sich ohne ein äußeres Magnetfeld.

Altermagnete und Antiferromagnete wären kaum zu unterscheiden. Von allen Winkeln aus betrachtet, würden ihre Spins gleich aussehen. Das wiederum würde den Hall-Effekt erklären, heißt es in einem Bericht auf New Scientists. Jedoch war das Team nicht sicher, ob es sich wirklich um eine neue Art von Magnetismus handelte. Denn es gab keine Beweise für die elektronische Signatur dieser Struktur.

Das Vorgehen der Altermagneten-Entdecker

Das Forschungsteam aus der Schweiz hat für ihre Entdeckung gemessen, wie Licht von Mangantellurid abprallt. Dadurch konnten sie die Energien und Geschwindigkeiten der Elektronen im Inneren des Kristalls ermitteln. Bei der Kartierung der Elektronen stellten sie fest, dass sie mit der Vorhersage der Forschungsgruppe aus dem Jahr 2019 übereinstimmte.

Die Elektronen scheinen in zwei Gruppen aufgeteilt zu sein. Dadurch wird ihnen mehr Bewegung innerhalb des Kristalls ermöglicht. Dies war der direkte Beweis für den Altermagneten, erklärt das aktuelle Forschungsteam. Diese Elektronengruppierung scheint von den Telluratomen in der Kristallstruktur zu stammen, die die magnetischen Ladungen des Mangans in ihre eigenen Ebenen trennen und die ungewöhnliche Rotationssymmetrie ermöglichen.

Abgesehen davon, dass sich die Elektronen in Altermagneten freier bewegen können als in Antiferromagneten, gibt es bei dieser neuen Art von Magneten auch keine externen Magnetfelder wie bei Ferromagneten. Diese Eigenschaft könnte die Speicherkapazität von Computerfestplatten erhöhen. Handelsübliche Geräte enthalten nämlich ferromagnetisches Material, das so dicht gepackt ist, dass die äußeren Magnetfelder des Materials zu stören beginnen. Die Magnete könnten sogar zu spintronischen Computern führen, die für ihre Messungen und Berechnungen magnetische Spins anstelle von Strom verwenden.

Zur Studie

Die Studie erschien am 14. Februar 2024 in der Fachzeitschrift Nature: Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy (Altermagnetische Aufhebung der Kramers-Spin-Entartung).