08.07.2022

Ein Viertaktmotor für Atome

Topologisches, magnetisches Material zeigt überraschendes Schaltverhalten.

Wenn man ein Bit im Speicher eines Computers umschaltet und dann wieder zurückschaltet, dann hat man den Ursprungs­zustand wieder­hergestellt. Es gibt nur zwei Zustände. An der TU Wien wurde allerdings nun ein ver­blüffender Effekt entdeckt: In einem Kristall basierend auf Oxiden von Gado­linium und Mangan stieß man auf einen atomaren Schalter, den man nicht bloß einmal, sondern zweimal hin und her schalten muss, bis der Ursprungs­zustand wieder erreicht ist. Der Spin von Gadolinium-Atomen wird während dieses doppelten Ein- und Ausschalt­vorgangs insgesamt einmal im Kreis gedreht. Das erinnert an eine Kurbelwelle, bei der eine Auf-und-ab-Bewegung in eine Krei­sbewegung umgewandelt wird. Dieses neue Phänomen eröffnet interessante Möglich­keiten in der Material­physik, sogar Information könnte man mit solchen Systemen speichern.

Abb.: Viertakt für Atome: In dieser berechneten Energie­landschaft bewegt...
Abb.: Viertakt für Atome: In dieser berechneten Energie­landschaft bewegt sich der aktuelle Zustand wie eine Kugel auf einer kompliziert geformten Oberfläche. (Bild: TU Wien)

Normalerweise unterscheidet man zwischen elektrischen und magne­tischen Eigenschaften von Materialien. Elektrische Eigenschaften beruhen darauf, dass sich Ladungs­träger bewegen – etwa Elektronen, die durch ein Metall wandern, oder Ionen, deren Position verschoben wird. Magnetische Eigen­schaften hingegen hängen eng mit dem Spin von Atomen zusammen – dem Eigendreh­impuls des Teilchens, der in eine ganz bestimmte Richtung zeigen kann. Aller­dings gibt es auch Materialien, in denen elektrische und magne­tische Phänomene sehr eng miteinander gekoppelt sind. An ihnen forscht Andrei Pimenov mit seinem Team am Institut für Festkörper­physik der TU Wien. „Wir haben ein spezielles Material aus Gadolinium, Mangan und Sauerstoff einem Magnetfeld ausgesetzt und gemessen, wie sich dabei seine elektrische Polari­sierung verändert“, sagt Pimenov. „Wir wollten also analysieren, wie sich die elektrischen Eigenschaften des Materials durch Magnetismus verändern lassen. Und überraschender­weise stießen wir dabei auf ein völlig unvorher­gesehenes Verhalten.“

Zu Beginn ist das Material elektrisch polarisiert. Dann schaltet man ein starkes Magnetfeld ein – und an der Polarisation ändert sich nur wenig. Wenn man dann allerdings das Magnetfeld wieder ausschaltet, zeigt sich eine drama­tische Änderung: Plötzlich kehrt sich die Polarisation um: Die Seite, die vorher positiv geladen war, ist danach negativ geladen, und umgekehrt. Nun kann man denselben Prozess ein zweites Mal durchlaufen: Wieder schaltet man das Magnetfeld ein, und die elektrische Polari­sation bleibt ungefähr konstant. Wenn man das Magnetfeld ausschaltet, kehrt sich die Polari­sation wieder um und erreicht somit wieder den ursprüng­lichen Zustand. „Das ist äußerst bemerkens­wert“, sagt Pimenov. „Wir führen vier verschiedene Schritte durch, jedes Mal ändert das Material seine inneren Eigenschaften, aber nur zweimal ändert sich die Polari­sation, daher erreicht man den Anfangs­zustand erst nach dem vierten Schritt.“

Eine genauere Betrachtung zeigt, dass die Gadolinium-Atome für dieses Verhalten verant­wortlich sind: Sie ändern bei jedem der vier Schritte ihre Spin­richtung, jedes Mal um neunzig Grad. „Es ist in gewissem Sinn ein Viertakt­motor für Atome“, sagt Pimenov. „Auch beim Viertakt­motor braucht es vier Schritte, bis der Ausgangszustand wieder erreicht ist – und der Zylinder bewegt sich dabei zweimal rauf und runter. Bei uns bewegt sich das magnetische Feld zweimal rauf und runter, bevor der Ausgangs­zustand wiederher­gestellt ist und der Spin der Gadoliniumatome wieder in die ursprüngliche Richtung zeigt.“

Theoretisch könnte man solche Materialien verwenden, um Information zu speichern: Ein System mit vier möglichen Zuständen hätte eine Speicher­kapazität von zwei Bits pro Schalter, statt des üblichen einen Bit Information für „0“ oder „1“. Besonders interessant ist der Effekt aber auch für die Sensor­technik: Man könnte etwa auf diese Weise einen Zähler für magnetische Pulse herstellen. Wichtige neue Inputs liefert der Effekt für die theoretische Forschung: Es ist ein weiteres Beispiel für einen topo­logischen Effekt, eine Klasse von Material­effekten, die seit Jahren in der Festkörper­physik viel Aufmerk­samkeit auf sich ziehen und die Entwicklung neuer Materialien ermöglichen sollen.

TU Wien / JOL

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