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Dritte Magnetklasse: Geometrische Verdrehung liefert Beleg für Altermagnetismus
Nicht alle magnetisch geordneten Materialien erzeugen ein messbares äußeres Magnetfeld. In Mangantellurid zeigt nun ein Röntgenexperiment eine charakteristische Händigkeit kollektiver Spinbewegungen, die zur besonderen Symmetrie des Altermagnetismus passt. Der Befund liefert einen weiteren Beleg für diese Magnetklasse und könnte langfristig neue Möglichkeiten für die Verarbeitung magnetischer Informationen eröffnen.
Menlo Park (U.S.A.). Magnetismus hat mehr Erscheinungsformen als die vertraute Anziehungskraft eines Stabmagneten. In Ferromagneten sind die winzigen magnetischen Momente vieler Elektronen ähnlich ausgerichtet, während sie sich in Antiferromagneten gegenseitig aufheben und nach außen kaum ein Feld erzeugen.
Altermagnete verbinden die kompensierte Magnetisierung der Antiferromagnete mit elektronischen Eigenschaften, die sonst eher von Ferromagneten bekannt sind. Ihre entgegengesetzt orientierten Spin-Untergitter sind durch eine Drehung der Kristallstruktur miteinander verknüpft, was eine richtungsabhängige Spinpolarisation ermöglicht. Frühere Messungen an Mangantellurid hatten die erwartete spinabhängige Aufspaltung der Elektronenenergien bereits belegt. Offen blieb unter anderem, ob auch kollektive Schwingungen der Spins ein charakteristisches Signal dieser Ordnung tragen.
Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) um Dr. Daniel Jost haben dafür Einkristalle aus Mangantellurid (MnTe) untersucht. Im Mittelpunkt standen Magnonen, also gemeinsame wellenförmige Bewegungen vieler magnetischer Momente, die sich durch das Kristallgitter ausbreiten. Solche Anregungen können eine bevorzugte Drehrichtung besitzen, die Physiker als Chiralität oder Händigkeit bezeichnen.
Die Untersuchungen erfolgten an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung. Dabei trifft polarisiertes Röntgenlicht auf die Probe, verliert einen Teil seiner Energie an magnetische Anregungen und verrät so deren Eigenschaften. Zum Vergleich verwendete das Team links- und rechtszirkular polarisiertes Licht, dessen elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung rotiert.
„Chirale Materialien streuen linkszirkular polarisierte Röntgenstrahlen anders als rechtszirkular polarisierte“, erklärt Dr. Daniel Jost.
In der zugänglichen Manuskriptfassung erfolgten die Messungen bei 30 Kelvin, entsprechend rund minus 243 Grad Celsius. Für den Nachweis kam die Röntgen-Messstation ID32 zum Einsatz, an der sich auch kleine Unterschiede zwischen den beiden Polarisationsarten erfassen lassen.
Die Streuspektren zeigen bei einer magnetischen Anregung einen messbaren Unterschied zwischen beiden Polarisationsrichtungen. Entscheidend ist, dass dieses Signal von der untersuchten Richtung im sogenannten Impulsraum abhängt, der die Wellenbewegungen im Kristall beschreibt. Entlang bestimmter Symmetrierichtungen wird der Unterschied klein oder verschwindet, während er an anderen Punkten deutlich hervortritt.
Die zugängliche Manuskriptfassung ordnet der Anregung eine Energie von ungefähr 35 Millielektronenvolt zu. Ihre richtungsabhängige Verteilung folgt der für MnTe vorhergesagten g-Wellen-Symmetrie des Altermagnetismus. Dieser Abgleich verbindet die beobachtete Händigkeit mit der besonderen Kristallsymmetrie und unterscheidet die Anregung von gewöhnlichen antiferromagnetischen Spinwellen.
„Diese chirale Signatur gab uns die solide experimentelle Grundlage, den Altermagnetismus als eigenständige Klasse einzuordnen“, sagt Dr. Daniel Jost.