Licht polt Magneten um

Liegt die Temperatur eines ferromagnetischen Materials unter einem kritischen Wert, wird es zum Ferromagneten. Umgekehrt gilt: Um das Magnetfeld eines Ferromagneten umzupolen, muss man ihn normalerweise zunächst über seine kritische Temperatur erwärmen. Dann können sich die Elektronenspins neu orientieren, und nach dem Abkühlen zeigt das Magnetfeld des Ferromagneten schließlich in eine andere Richtung. Einem Forschungsteam um Tomasz Smoleński von der Universität Basel und Ataç Imamoğlu von der ETH Zürich ist es nun gelungen, eine solche Neuausrichtung allein mithilfe von Licht zu erreichen – ganz ohne Aufheizen.

„Das Spannende an unserer Arbeit ist, dass wir hier die drei großen Themen der modernen Festkörperphysik in einem Experiment vereint haben: starke Wechselwirkungen zwischen den Elektronen, Topologie und dynamische Kontrolle“, sagt Imamoğlu. Dazu verwendeten die Forschenden ein spezielles Material aus zwei hauchdünnen Schichten des organischen Halbleiters Molybdänditellurid, die leicht gegeneinander verdreht sind.

In solchen Materialien können sich topologische Zustände bilden. In den neuen Experimenten, die von Smoleński und Imamoğlu gemeinsam angeleitet wurden, konnten die Elektronen zwischen solchen topologischen Zuständen, die isolierend sind, und metallischen, also leitenden Zuständen umgeschaltet werden. Bemerkenswert ist dabei, dass die Wechselwirkungen die Elektronen in beiden Zuständen dazu bewegen, sich parallel zueinander auszurichten, wodurch das Material zu einem Ferromagneten wird.

Mehr zu Molybdän

21.09.2023 • Nachricht • Forschung

Molybdänen – ein neues 2D-Material

05.09.2023 • Nachricht • Forschung

Molybdänkomplex für lichtgetriebene Anwendungen

06.04.2023 • Nachricht • Forschung

Nanophotonik: Kleine Drehung, große Wirkung

Titus Neupert und Glenn Wagner • 12/2023 • Seite 20

Eine neue Ära für Anyonen

Markus A. Schmidt • 2/2023 • Seite 20

Licht in ausgewählter Richtung

„Der Clou ist nun, dass wir mithilfe eines Laserpulses die kollektive Ausrichtung der Spins ändern können“, sagt ETH-Doktorand Olivier Huber, der die Experimente zusammen mit seinem Kollegen Kilian Kuhlbrodt und Tomasz Smoleński durchgeführt hat. Das war für einzelne Elektronen schon vor einigen Jahren gelungen, doch neu ist nun das „Umschalten“ oder Umpolen des gesamten Ferromagneten. „Dieses Umschalten ist dauerhaft, und zudem beeinflusst die Topologie die Dynamik des Umschaltens“, sagt Smoleński.

Mit dem Laserpuls können so auch neue Begrenzungslinien gezogen werden, innerhalb derer sich der topologische ferromagnetische Zustand befindet. Dies kann wiederholt geschehen, wodurch eine dynamische Kontrolle der topologischen und ferromagnetischen Eigenschaften des Materials möglich ist. Um nachzuweisen, dass sich der nur wenige Mikrometer große Ferromagnet tatsächlich umgepolt hatte, maßen die Forschenden die Reflektion eines zweiten, viel schwächeren Laserstrahls, die Auskunft über die Orientierung der Elektronenspins gab.

„Mit unserer Methode können wir in Zukunft beliebige und anpassbare topologische Schaltkreise auf einem Chip optisch erzeugen“, sagt Smoleński. Auf diese Weise könnten dann zum Beispiel winzige Interferometer realisiert werden, mit denen sich extrem kleine elektromagnetische Felder messen lassen. [U Basel / dre]