Verdrehte Magnete mit Gedächtnis
Studie unter Leitung der TU Darmstadt untersucht zweidimensionalen Van-der-Waals-Magneten.
Die Eigenschaften ultradünner Magneten lassen sich durch eine minimale Verdrehung zweier Schichten gezielt verändern. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt in einer Studie. Die Erkenntnisse eröffnen neue Perspektiven für künftige Speichertechnologien.
Die Forschenden beobachteten zum ersten Mal, dass ein extrem dünnes, magnetisches Material, ein zweidimensionaler Van-der-Waals-Magnet, seinen magnetischen Zustand „speichert“: Es reagiert verzögert auf ein Magnetfeld und behält seine Magnetisierung auch dann noch teilweise bei, wenn sich das Feld ändert. Diese Hysterese bildet die Grundlage vieler Datenspeicher.
Das untersuchte Material, Chrom-Sulfid-Bromid (CrSBr), besteht aus einzelnen Lagen, die sich stapeln lassen und jede für sich magnetisch sind. Benachbarte Lagen sind dabei genau entgegengesetzt magnetisiert, sodass sie sich nach außen hin gegenseitig aufheben. Die Forschenden legten zwei solcher Lagen übereinander und verdrehten sie um etwa drei Grad gegeneinander. Dadurch entsteht ein feines Moiré-Muster, das verändert, wie die beiden Lagen magnetisch zusammenwirken.
Auf der Quanten-Welle surfen
Super-Moiré-Magnetismus in 2D-Materialien entdeckt
Gefangen in einem magnetischen Käfig
Ohne Twist
Mit einem lichtbasierten Messverfahren bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtete das Forschungsteam, wie das Material auf ein äußeres Magnetfeld reagiert. Anders als unverdrehte Doppelschichten zeigte die verdrehte Struktur die beschriebene Hysterese besonders deutlich. Ergänzend entwickelten die Forschenden ein theoretisches Modell, das die beobachteten Umschaltvorgänge gut beschreibt. Dabei zeigte sich, dass die verdrehte Doppelschicht beim Umschalten weitgehend wie ein einziger, einheitlicher Magnet reagiert – auch wenn ihre magnetischen Eigenschaften nicht überall in der Probe exakt gleich sind. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass sich die magnetischen Eigenschaften solch dünner Materialien allein durch gezieltes Verdrehen, sogenanntes „Twist Engineering“, maßschneidern lassen.
Dieser Ansatz führte schon in der Vergangenheit zu vielversprechenden Ergebnissen: So wurde in solchen verdrehten, extrem dünnen Materialien zum Beispiel der Effekt der Supraleitung entdeckt, also das Fließen von Strom völlig ohne Widerstand. Auch Mott-Isolatoren wurden nachgewiesen. Dabei handelt es sich um Materialien, die Strom sperren, obwohl sie ihn nach klassischer Theorie eigentlich leiten müssten.
Die nun veröffentlichte Arbeit verbindet reine Grundlagenforschung mit möglichen praktischen Anwendungen. Langfristig könnten solche Materialien die Basis für neuartige Datenspeicher bilden oder für elektronische Bauteile, die sich flexibel umprogrammieren lassen. Denkbar sind auch spintronische Bauelemente.
An der Forschung beteiligt waren neben dem Institut für Physik kondensierter Materie der TU Darmstadt und der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau auch die Universität für Chemie und Technologie in Prag sowie das National Institute for Materials Science im japanischen Tsukuba. Die Herstellung und Charakterisierung der CrSBr-Proben und die magneto-optischen Messungen wurden an der TU Darmstadt umgesetzt von Priyanka Mondal, Wenze Lan und Lennard Hopf aus der Arbeitsgruppe Hybride Quantensysteme von Bernhard Urbaszek. Die theoretische Modellierung erfolgte in enger Zusammenarbeit. [TU Darmstadt / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
P. Mondal, S. Verma, W. Lan, et al., Twist-tuned exchange and hysteresis in a bilayer van der Waals magnet, Nat. Commun. 17, 5984, 8. Juli 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-75186-3 - Arbeitsgruppe hybride Quantensysteme (Bernhard Urbaszek), Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM), TU Darmstadt
