Neuartiges magnetisches Material mit Spiralstruktur

Ein neuartiges magnetisches Material mit ungewöhn­licher elektro­nischer Struktur könnte künftig schnel­lere, kleinere und effizien­tere Computerchips ermög­lichen: der p-Wellen-Magnet. An seiner Herstel­lung waren Forschende des Karls­ruher Insti­tuts für Techno­logie (KIT) betei­ligt. Sein magne­tisches Ver­halten im Innern des Mate­rials entsteht, weil sich die Spins der Elek­tronen wie eine Spirale anord­nen. Dadurch wird durch­fließender elektri­scher Strom seit­lich abgelenkt.

p-Wellen-Splittings: laufrichtungsabhängiger Spin von Elektronen (grüne/lila Pfeile) über einer magnetischen Gitterstruktur.

In ferromagnetischen Materialien zeigen die Spins alle in die gleiche Richtung. Anti­ferro­magnetische Materi­alien hingegen wirken nach außen nicht magnetisch, weil sich die magneti­schen Kräfte sowie die elek­trischen Leitungs­eigen­schaften der einzelnen Atome gegen­seitig aufheben. Neueste Entwick­lungen weisen jedoch darauf hin: Je nach Kombi­nation aus magneti­scher und elektroni­scher Anord­nung können Anti­ferro­magneten Eigen­schaften von Ferro­magneten anneh­men. Ein solches Material haben nun For­schende des RIKEN Center for Emer­gent Matter Science (CEMS) in Japan, der Univer­sität Tokio und des KIT entwickelt. Darin verhalten sich die Elek­tronen so, als wären sie nach Spin getrennt, was sich entschei­dend auf ihre Bewe­gung auswirkt. Die Spins ordnen sich in diesem p-Wellen-Magneten, einer Verbin­dung aus mehreren verschie­denen Metallen, in einer regel­mäßig wieder­kehrenden Spirale an.

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„Die Magnetisierung rotiert auf einer Länge von nur sechs atomaren Gitter­plätzen einmal um 360 Grad, wobei Nachbarn fast genau 60 Grad Diffe­renz haben“, sagt Jan Masell, Leiter der Emmy Noether-Gruppe „MAGN3D“ am Institut für Theore­tische Fest­körper­physik des KIT und Gast­wissen­schaftler am CEMS. Er war an dem von der Universität Tokio und dem CEMS koordi­nierten Projekt betei­ligt, vereinte die verschie­denen theore­tischen Ansätze sowohl mitein­ander als auch mit den experimen­tellen Messungen. „Zusätz­lich weist unser Material eine ganz kleine mess­bare Magneti­sierung auf, also ein kleines bisschen Ferro­magne­tis­mus – die Spirale ist also nicht perfekt“, erklärt Masell.

Diese minimale Abweichung führt zu einem Phänomen, das sonst nur in Kombi­nation mit einem starken Magnet­feld oder starker Magneti­sierung auftritt: einem ausge­prägten anomalen Halleffekt. Elek­tronen, die sich normaler­weise gerad­linig durch ein Material bewegen, werden allein durch die innere Struktur des p-Wellen-Magneten seit­lich abgelenkt. „Wir konnten außerdem zeigen, dass sich die Spiral­anordnung in der Magneti­sierung drehen lässt – der Effekt des p-Wellen-Magneten ist also schalt­bar“, so Masell. „Über­dies hängt der elek­trische Wider­stand stark von der Orien­tierung der Spirale ab.“

Mit dieser Grundlagenforschung könnten sich neue Möglichkeiten für die Infor­mations­techno­logie eröffnen: So könnte der metal­lische p-Wellen-Magnet künftig schnel­lere, kleinere und energie­effizien­tere Computer­chips ermöglichen. Gleich­zeitig bietet er eine Platt­form, um spin-elektro­nische Zustände, bei­spiels­weise in Magneten oder Supra­leitern, weiter zu unter­suchen. [KIT / dre]