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Nur wenige Atome dickes Quantenmaterial wird unter Spannung magnetisch
Rutheniumdioxid galt in massiver Form zuletzt eher als nichtmagnetisch, doch in einer nur wenige Atomlagen dünnen, verspannten Schicht fanden Forscher nun eine Spintextur, die eine gebrochene Zeitumkehrsymmetrie anzeigt. Das Muster passt sowohl zu einer altermagnetischen Ordnung als auch zu Ferromagnetismus. Die Messung entscheidet noch nicht eindeutig zwischen beiden.
Houston (U.S.A.). Rutheniumdioxid war lange ein prominenter Kandidat für Altermagnetismus, eine magnetische Ordnung mit entgegengesetzten Spins und charakteristischer Aufspaltung der Elektronenzustände. Neuere Messungen an massiven Kristallen und entspannten dünnen Filmen hatten dafür jedoch keine belastbaren magnetischen Signale gefunden, sodass offen blieb, ob sich das Material unter anderen strukturellen Bedingungen grundlegend anders verhält.
Eine solche Bedingung entsteht, wenn eine extrem dünne Schicht auf einem Kristall mit leicht abweichenden Gitterabständen wächst und sich ihre Atome an die Unterlage anpassen müssen. Dadurch entsteht eine sogenannte epitaktische Gitterverspannung, die elektronische Zustände und damit auch magnetische Wechselwirkungen verändern kann.
Forscher der Rice University um Ming Yi haben nun eine nominell zwei Nanometer dünne Rutheniumdioxid-Schicht untersucht, deren tatsächliche Dicke mit 2,7 Nanometern bestimmt wurde. Sie lag auf einer zwei Nanometer dünnen Titandioxid-Pufferschicht, blieb durch die Unterlage vollständig verspannt und wurde für die spinempfindlichen Messungen auf rund 15 Kelvin, also etwa minus 258 Grad Celsius, gekühlt.
„Rutheniumdioxid gehörte zu den ersten Materialien, die als Kandidat für Altermagnetismus vorgeschlagen wurden, doch Untersuchungen der massiven Form lieferten keine Hinweise auf Magnetismus. Unsere Forschung zeigt, dass dagegen seine ultradünne Form der Schlüssel sein könnte, um es magnetisch zu machen“, sagt Ming Yi.
Um die magnetische Ordnung zu untersuchen, nutzte das Team spinaufgelöste, winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, kurz spin-ARPES, bei der Licht Elektronen aus der Probe löst. Aus Energie, Bewegungsrichtung und Spin der Elektronen lässt sich ablesen, wie die elektronischen Zustände im Material nach Impuls und Spin geordnet sind.
Die Messungen zeigten gleichzeitig spiegelgerade und spiegelungerade Komponenten der Spintextur. Entscheidend war eine spiegelgerade Komponente, die nach der Symmetrieanalyse weder durch die polare Kristallstruktur noch durch bekannte Effekte des Photoemissionsversuchs erklärt werden kann. Zusätzlich trat selbst an einem Symmetriepunkt eine endliche Spinpolarisation auf, an dem sie bei erhaltener Zeitumkehrsymmetrie verschwinden müsste.
„Nach der Auswertung unserer Messungen, wobei theoretische Berechnungen in unsere Interpretation eingeflossen sind, stellten wir fest, dass Rutheniumdioxid unter unseren Versuchsbedingungen Spintexturen zeigt, die mit unkonventionellem Magnetismus vereinbar sind. Das deutet darauf hin, dass massives und ultradünnes Rutheniumdioxid unter den richtigen Bedingungen deutlich unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben können“, sagt Yichen Zhang von der Rice University.
Die Forscher führen den Befund deshalb auf eine intrinsische magnetische Spinpolarisation und eine gebrochene Zeitumkehrsymmetrie zurück, können die genaue magnetische Ordnung aus den Daten aber noch nicht eindeutig bestimmen. Die Symmetrie des gemessenen Musters ist sowohl mit einer ferromagnetischen Phase als auch mit d-Wellen-Altermagnetismus vereinbar, jeweils mit überwiegend in der Filmebene liegenden magnetischen Momenten.
Altermagnete unterscheiden sich von gewöhnlichen Ferromagneten dadurch, dass sich ihre entgegengesetzten magnetischen Teilstrukturen weitgehend kompensieren können und trotzdem eine charakteristische spinabhängige Bandstruktur entsteht. Für Rutheniumdioxid wäre deshalb wichtig, ob die ultradünne Verspannung tatsächlich eine solche Ordnung stabilisiert oder stattdessen eine andere Form des Magnetismus hervorruft.