Hoher Spaßfaktor dank vieler Kandidatenmaterialien
Altermagnetische Materialien eröffnen der Spintronik ganz neue Möglichkeiten. Die aktuelle „Physik in unserer Zeit“ berichtet über dieses faszinierende Phänomen.
Günter Reiss
Ein Bit war auf den ersten magnetischen Festplattenspeichern in den 1950er-Jahren ungefähr 0,3 mm² groß, und eine typische Kapazität der ganzen Platte war einige MByte. Im Jahr 1981 meinte Bill Gates, dass für den Arbeitsspeicher im Rechner 640 kByte für jeden reichen sollten. Heute belegen die Bits auf den Festplatten ungefähr eine Milliarde mal weniger Fläche, wir haben aber „nur“ etwa das Hundertausendfache an Arbeitsspeicher.
Dieser Unterschied ist ein Verdienst des Magnetismus, genauer gesagt der Spintronik, die mit der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands begründet wurde. Peter Grünberg und Albert Fert erhielten dafür 2007 den Nobelpreis für Physik. Der Riesen- und später der Tunnelmagnetowiderstand wurden nämlich sehr schnell eingesetzt, um immer kleinere Bits von der – ebenfalls magnetischen – Festplatte zu lesen. Heute sind die Leseköpfe wahre Kunstwerke der Nanotechnologie, die im Abstand weniger Nanometer über die Festplatte fliegen. Übrigens wächst der Markt für Festplatten trotz der nicht magnetischen Flash-Speicher nach wie vor, da ihre riesige Kapazität für Sicherung und Cloud-Anwendungen unverzichtbar ist.
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Auch für Arbeits- und Flashspeicher bietet der Magnetismus eine Alternative: Den MRAM, eine Struktur aus zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine dünne Isolatorschicht getrennt sind. Der Tunnelstrom zwischen den ferromagnetischen Schichten hängt davon ab, wie die Magnetisierungen zueinander orientiert sind – damit wird die Information gespeichert. Bei Leseköpfen und MRAM kommen auch Antiferromagnete ins Spiel: W. H. Meiklejohn und C. P. Bean vom General Electric Research Laboratory in Schenectady, New York, fanden schon 1957 heraus, dass sich die Hysteresekurve eines Ferromagneten durch den Kontakt mit einem Antiferromagneten auf der Feldachse verschieben lässt. Dieser sogenannte Exchange Bias wird seit den 1990er-Jahren zur Erzeugung stabiler Referenzmagnetisierungen in Leseköpfen und später im MRAM genutzt.
Antiferromagnete haben keine Nettomagnetisierung, und es wurde angenommen, dass die Energiezustände ihrer Elektronen, im Gegensatz zu Ferromagneten, nicht vom Spin abhängen. Dies trifft auch für die meisten Antiferromagnete zu. Louis Néel hat sie und andere magnetische Ordnungsformen ab etwa 1930 entdeckt. Bei der Verleihung des Physik-Nobelpreises 1970 sagte er über Antiferromagnete: „They … do not seem to have any applications“ – hier jedoch irrte Néel.
Dieser Irrtum kann sich als noch gravierender erweisen: Wie Sonka Reimers, Martin Jourdan und Mathias Kläui in diesem Heft erläutern, spalten sich die Elektronenzustände von sogenannten Altermagneten aufgrund der Symmetrie der Spin- und Orbitalanordnung nach ihrem Spin auf. Altermagnete haben wie gewöhnliche Antiferromagnete keine Nettomagnetisierung, vereinen aber die Vorteile und vermeiden die Nachteile von Ferromagneten – soweit wir bisher wissen. Damit scheint die Vision eines universellen Speicherelements möglich, das wenig Energie verbraucht und die heute etablierten verschiedenen Speicher wie SRAM, DRAM oder Flash ersetzen könnte. Zudem sind neue Computerkonzepte möglich, bei denen Netzwerke aus MRAM-Zellen je nach Problemstellung flexibel in Speicher- und Recheneinheiten aufgeteilt werden können. Auch nichtlineare Kennlinien, etwa die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands vom Magnetfeld, sind machbar. Damit wird das potenzielle Anwendungsfeld noch um Bauelemente für die künstliche Intelligenz (KI) erweitert, da solche Kennlinien für die Hardware-Realisierung von neuromorphen Netzen nötig sind.
Günter Reiss
ist Seniorprofessor für Experimentalphysik an der Universität Bielefeld. Er arbeitet an neuen magnetischen Materialien und Bauelementen. Bild: U Bielefeld
Abgeschlossen ist die Forschung aber keineswegs. Aus den Symmetrieargumenten folgt nämlich „nur“, dass die für Altermagnete charakteristische Spinaufspaltung vorliegen muss, falls das Material antiferromagnetisch ist. Ob dies zutrifft, hängt von den Wechselwirkungen zwischen den Elektronen ab – das erhöht den Spaßfaktor in der Forschung erheblich, und es gibt viele Kandidatenmaterialien. Die Grundlagenforschung kann sich im wahrsten Sinne des Wortes auszahlen: Allein für KI-Abfragen wird ein Energieverbrauch von 347 TWh für das Jahr 2030 vorhergesagt. Altermagnete eröffnen den Weg zu superschnellen Speichern, Rechnern und neuromorphen Netzen, die viel weniger Energie verbrauchen – also ran an die Forschung!
