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Verborgene Magnetordnung eines Altermagneten erstmals elektrisch ausgelesen
Manche magnetischen Materialien besitzen eine geordnete innere Struktur, obwohl sie nach außen keine Nettomagnetisierung zeigen. An einem sogenannten Altermagneten ist es nun gelungen, diese verborgene Ordnung über einen Spinstrom elektrisch nachzuweisen. Der Versuch könnte neue Wege für die Informationsverarbeitung eröffnen, funktioniert bislang jedoch nur unter Laborbedingungen.
San Sebastián (Spanien). In vielen Datenspeichern wird Information über die Ausrichtung magnetischer Bereiche festgehalten. Herkömmliche Ferromagnete erzeugen dabei ein äußeres Magnetfeld, das benachbarte Bauteile beeinflussen kann. Für besonders dicht gepackte elektronische Schaltungen sind deshalb Materialien ohne eine nach außen wirksame Gesamtmagnetisierung interessant.
Eine solche Materialklasse sind die Altermagnete mit ihrer besonderen magnetischen Ordnung. In ihnen heben sich die magnetischen Momente der Atome gegenseitig auf, während die Elektronen je nach ihrer Spin-Ausrichtung unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Ob sich aus diesem verborgenen Zustand ein Spinstrom gewinnen und außerhalb des Materials nachweisen lässt, war bislang experimentell nicht gezeigt.
Forscher am Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences (FZU) um Helena Reichlová haben diese Möglichkeit gemeinsam mit weiteren Arbeitsgruppen untersucht. Als Quelle verwendeten sie dünne Schichten des Altermagneten Mangansilizid mit der chemischen Formel Mn₅Si₃. Eine zweite, ferromagnetische Elektrode diente dazu, die transportierte Spininformation in ein messbares elektrisches Signal umzuwandeln.
Quelle und Detektor liegen in dem sogenannten lateralen Spinventil nebeneinander und sind durch einen nichtmagnetischen Kupferkanal verbunden. Diese räumliche Trennung erlaubt es, den Transport der Spininformation unabhängig von der Stromzufuhr am Ausgangsmaterial zu untersuchen.
„In dem entwickelten Bauteil liegen zwischen dem Altermagneten und dem Detektor nur 300 Nanometer, etwa ein Hundertstel der Dicke eines menschlichen Haares. Wenn elektrischer Strom durch den Altermagneten fließt, beeinflusst dessen innere magnetische Ordnung das Verhalten der Elektronen und erzeugt einen Spinstrom, der sich durch einen metallischen Leiter bis zum Detektor ausbreitet und dort ein elektrisches Signal hervorruft“, erläutert die Erstautorin Jone Mencos vom CIC nanoGUNE.
Eine Gegenprobe sollte klären, ob das gemessene Signal tatsächlich die innere Magnetordnung des Altermagneten widerspiegelt. Dazu wurde diese Ordnung mithilfe starker äußerer Magnetfelder gezielt umgekehrt und die Spannung am entfernten Detektor erneut gemessen.
„Das Team hat die magnetische Ordnung des Materials mithilfe starker Magnetfelder, die in unserem Labor zur Verfügung stehen, umgekehrt und beobachtet, dass auch das nachgewiesene Signal seine Richtung ändert. Diese Übereinstimmung bestätigt, dass das elektrische Signal mit der inneren magnetischen Information des Altermagneten verknüpft ist, und erlaubt uns auszuschließen, dass andere Effekte im Bauteil dafür verantwortlich sind“, ergänzt Jone Mencos.
Der Zusammenhang zeigte sich bei zwei unterschiedlichen Anordnungen der Stromzufuhr. Damit unterscheidet sich der beobachtete Effekt von herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung von Spinströmen, die eine Nettomagnetisierung oder einen anderen quantenphysikalischen Mechanismus benötigen.
Berechnungen der elektronischen Struktur und Modelle des Spintransports stützen die Zuordnung zur besonderen Symmetrie des Mangansilizids. Daraus ergeben sich rechnerische Spinpolarisationen von 6,5 bis 10 Prozent, wobei diese Werte keine direkt gemessene Leistungsfähigkeit eines Datenspeichers beschreiben.