Eine neue Art von Magnetismus

Damit ein Magnet an der Kühlschranktür haftet, müssen in seinem Inneren mehrere physikalische Effekte perfekt zusammenspielen. Die magnetischen Momente seiner Elektronen zeigen in dieselbe Richtung, auch wenn kein äußeres Magnetfeld sie dazu zwingt. Dies wiederum passiert durch die Austauschwechselwirkung, also eine Kombination aus elektrostatischer Abstossung zwischen Elektronen und quantenmechanischer Effekte der Elektronen-Spins, die ihrerseits für die magnetischen Momente verantwortlich sind. So lautet die gängige Erklärung dafür, dass bestimmte Materialien wie Eisen oder Nickel ferromagnetisch sind, also permanent magnetisch, solange man sie nicht über eine bestimmte Temperatur erhitzt. An der ETH Zürich haben nun Forschende um Ataç Imamoğlu vom Institut für Quantenelektronik und Eugene Demler vom Institut für theoretische Physik in einem künstlich produzierten Material eine neue Art von Ferromagnetismus nachgewiesen, bei dem die Ausrichtung der magnetischen Momente ganz anders zustande kommt. 

In Imamoğlus Labor stellten Livio Ciorciaro, Tomasz Smolenski und Kolleginnen ein besonderes Material her, indem sie hauchdünne Lagen von zwei verschiedenen Halbleiter­materialien – Molybdän-Diselenid und Wolframsulfid – aufeinanderlegten. Durch die verschiedenen Gitter­konstanten der beiden Materialien ergibt sich dabei in der Kontaktebene ein zweidimensionales periodisches Potenzial mit großer Gitter­konstante, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung mit Elektronen aufgefüllt werden kann. „Solche Moiré-Materialien haben in den letzten Jahren grosses Interesse hervorgerufen, da man mit ihnen Quanten­effekte von stark wechselwirkenden Elektronen in Festkörpermaterialien sehr gut untersuchen kann“, sagt Imamoğlu. „Über ihre magnetischen Eigenschaften aber war bisher wenig bekannt.“

Um diese magnetischen Eigenschaften zu untersuchen, maßen die Forschenden, ob das Moiré-Material bei einer bestimmten Elektronenfüllung paramagnetisch war, die magnetischen Momente also ungeordnet waren, oder aber ferro­magnetisch. Dazu beleuchteten sie das Material mit Laserlicht und maßen, wie stark das Licht für verschiedene Polari­sierungen reflektiert wurde. Die Polarisierung gibt an, in welche Richtung das elektromagnetische Feld des Laserlichts schwingt, und je nach Ausrichtung der magnetischen Momente – und damit der Elektronen-Spins – reflektiert das Material eine Polarisierung stärker als die andere. Aus dieser Differenz kann dann berechnet werden, ob die Spins alle in dieselbe oder in verschiedene Richtungen zeigen, woraus sich wiederum die Magnetisierung ergibt.

Indem die Physikerinnen und Physiker die Spannung schrittweise erhöhten, füllten sie das Material mit Elektronen und maßen jeweils die Magneti­sierung. Bis zu einer Füllung von genau einem Elektron pro Moiré-Gitterplatz blieb das Material paramagnetisch. Als sie mehr Elektronen in das Gitter füllten, passierte Unerwartetes: Das Material verhielt sich plötzlich ähnlich wie ein Ferromagnet. „Das war ein schlagender Hinweis auf eine neue Art von Magnetismus, die durch die Austausch­wechselwirkung nicht erklärt werden kann“, sagt Imamoğlu. Denn wenn die Austauschwechselwirkung für den Magnetismus verantwortlich wäre, würde dieser schon mit weniger Elektronen im Gitter auftreten. Das plötzliche Einsetzen ließ also auf einen anderen Effekt schließen.

Eugene Demler, in Zusammen­arbeit mit Post­doktorand Ivan Morera, hatte schließlich die entscheidende Idee: Es könnte sich um einen Mechanismus handeln, den der japanische Physiker Yosuke Nagaoka bereits 1966 theoretisch vorhergesagt hatte. Dabei minimieren die Elektronen durch parallele Ausrichtung der Spins ihre kinetische Energie, die viel größer als die Austauschenergie ist. Im Experiment passiert dies, sobald im Moiré-Material mehr als ein Elektron pro Gitterplatz vorhanden ist. Dadurch können sich jeweils zwei Elektronen zu Doublons zusammentun. Die kinetische Energie ist dann minimiert, wenn sich die Doublons durch quanten­mechanisches Tunneln im gesamten Gitter ausbreiten können. Das wiederum geht aber nur, wenn die einzelnen Elektronen im Gitter ihre Spins ferro­magnetisch ausrichten, da sonst quanten­mechanische Überlagerungs­effekte gestört werden, welche die freie Ausbreitung der Doublons ermöglichen.

„Bislang wurden solche Mechanismen für kinetischen Magnetismus nur in Modellsystemen nachgewiesen, die beispielsweise aus vier Quanten­punkten bestehen“, sagt Imamoğlu, „aber noch nie in ausgedehnten Festkörpersystemen wie unserem.“ In nächster Zeit möchte er die Parameter des Moiré-Gitters verändern, um zu untersuchen, ob der Ferromagnetismus auch bei höheren Temperaturen erhalten bleibt; im jetzigen Experiment musste das Material noch auf ein Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.

ETHZ / JOL