// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Neue Symmetrieregeln erleichtern die Suche nach ungewöhnlichen Magneten
Ungewöhnliche Magnete können trotz verschwindender Gesamtmagnetisierung Elektronen je nach Spin unterschiedlich beeinflussen. Ein neues theoretisches Schema ordnet ihre bislang getrennt behandelten Familien mit sechs Symmetrieoperationen und unterscheidet 15 Entstehungsmechanismen. Bei der Suche in einer Materialdatenbank ergaben sich nach aktuellen Institutsangaben 93 Kandidaten. Ob diese Eigenschaften tatsächlich vorliegen, müssen Experimente zeigen.
Hefei (China). Bei gewöhnlichen Ferromagneten richten sich die magnetischen Momente der Atome ähnlich aus, sodass ein nach außen messbares Magnetfeld entsteht. Antiferromagnete besitzen dagegen entgegengesetzte magnetische Momente, deren Wirkungen sich gegenseitig aufheben. Gerade diese fehlende Gesamtmagnetisierung kann für dicht gepackte elektronische Bauteile interessant sein.
Manche Materialien vereinen eine solche magnetische Kompensation mit einer besonderen elektronischen Eigenschaft. Ihre Elektronenzustände besitzen eine sogenannte Spinaufspaltung, bei der sich die Energien je nach Ausrichtung des Elektronenspins unterscheiden. Bekannte Vertreter dieser ungewöhnlichen Magnetfamilie sind die Altermagnete. Für andere Vertreter galten bisher teilweise getrennte Regeln, die nicht alle denkbaren magnetischen Strukturen erfassen.
Forscher der Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) um Xun-Jiang Luo haben die unterschiedlichen Magnetklassen nun mithilfe sogenannter Spinraumgruppen untersucht. Diese mathematische Beschreibung erfasst, welche räumlichen Veränderungen und Drehungen der Spins die magnetische Struktur eines Kristalls unverändert lassen. Für die neue Einteilung sind sechs bestimmte Symmetrieoperationen entscheidend.
Ein Teil dieser Operationen lässt den Impuls der Elektronen unverändert, ein anderer kehrt ihn um. Daraus lässt sich ableiten, ob ihre Spinrichtungen im Impulsraum auf einer Achse, in einer Ebene oder räumlich verteilt sind. Zugleich zeigt sich, ob die Spinaufspaltung bei einer Impulsumkehr gleich bleibt, was als gerade Parität bezeichnet wird, oder ihr Vorzeichen wechselt, was ungerader Parität entspricht.
Aus den beiden Paritätsklassen und den drei möglichen Spinmustern ergeben sich sechs Typen ungewöhnlicher Magnete. Die Symmetrieanalyse unterscheidet dafür acht Mechanismen bei ungerader und sieben bei gerader Parität. Damit können beide Magnetfamilien erstmals nach demselben theoretischen Prinzip eingeordnet werden.
Die Einteilung verändert auch bisherige Vorstellungen über die Voraussetzungen solcher Zustände. So galten bestimmte Magnete mit ungerader Parität lange als an eine ebene Anordnung der magnetischen Momente und eine besondere Kombination aus Zeitumkehr und Gitterverschiebung gebunden. Nach der neuen Symmetrieanalyse ist keine dieser beiden Bedingungen grundsätzlich erforderlich.
Auch eine weitere Zuordnung erweist sich als zu eng. Eine Spinaufspaltung entlang nur einer Achse kann demnach sogar bei einer Magnetordnung entstehen, deren Momente in einer Ebene liegen. Dieser Mechanismus unterscheidet sich von dem der bekannten Altermagnete und erweitert die Zahl theoretisch möglicher Materialzustände.
Um das Schema auf reale Kristallstrukturen anzuwenden, wurden Einträge der Datenbank MAGNDATA nach den entsprechenden Symmetrien durchsucht. Die jüngste offizielle Forschungsmitteilung nennt 33 Kandidaten für Magnete mit ungerader Parität sowie 60 für solche mit gerader Parität. Bereits bekannte Altermagnete sind bei der zweiten Gruppe nicht mitgezählt. Die Auswahl beschreibt mögliche Eigenschaften der Materialien und noch keinen experimentellen Nachweis der vorhergesagten Spinaufspaltung.
Allerdings nennt die ältere, öffentlich zugängliche Manuskriptfassung bei gerader Parität noch 63 statt 60 Kandidaten. Wodurch die Abweichung zur aktuellen Mitteilung zustande kommt, lässt sich ohne den vollständig einsehbaren Text der veröffentlichten Fachfassung nicht klären. Deshalb bleibt die Gesamtzahl von 93 zunächst eine Angabe der neueren o