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Nicht nur Nord und Süd: Dritter Typ des Magnetismus in neuem Material entdeckt
Ein geschichteter Kristall zeigt elektronische Signaturen einer ungewöhnlichen dritten Magnetklasse. In Co₁/₄TaSe₂ fanden Forscher eine richtungsabhängige Aufspaltung spinpolarisierter Bänder, obwohl sich die magnetischen Momente insgesamt kompensieren. Das Material könnte damit ein gut veränderbares Testsystem für Altermagnetismus und mögliche künftige Spintronik werden.
Orlando (U.S.A.). Ferromagnete erzeugen ein äußeres Magnetfeld, weil viele magnetische Momente gemeinsam ausgerichtet sind. In klassischen Antiferromagneten heben sich entgegengesetzte Momente dagegen auf. Altermagnete verbinden Eigenschaften beider Gruppen. Ihre Nettomagnetisierung verschwindet, zugleich können die Energiebänder der Elektronen abhängig von ihrer Bewegungsrichtung deutlich spinaufgespalten sein.
Diese Kombination macht die Materialklasse für die Spintronik interessant, bei der neben der elektrischen Ladung auch der Spin von Elektronen Information tragen soll. Besonders gesucht sind dafür Materialien, die starke spinabhängige Signale liefern, ohne störende Streufelder zu erzeugen. Bisher gibt es jedoch nur wenige experimentell gut untersuchte geschichtete Altermagnete.
Forscher der University of Central Florida (UCF) um Prof. Madhab Neupane haben nun Co₁/₄TaSe₂ untersucht. In diesem Übergangsmetall-Dichalkogenid liegen Tantal- und Selen-Schichten übereinander, zwischen die Kobaltatome eingelagert sind. Unterhalb von 178 Kelvin ordnen sich die Kobaltmomente innerhalb einer Schicht gleichgerichtet an, während benachbarte Schichten entgegengesetzt magnetisiert sind.
Um die Elektronenstruktur zu vermessen, kombinierte das Team winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) mit quantenmechanischen Dichtefunktionalrechnungen. Die Messungen bei sieben Kelvin zeigten, dass sich Bänder mit entgegengesetztem Spin in bestimmten Richtungen im Impulsraum voneinander trennen. Entlang einer symmetriegeschützten Richtung blieben sie dagegen entartet, genau wie es die Berechnungen für einen Altermagneten vorhersagen.
Die stärkste Aufspaltung trat in Richtung Γ′–M′ auf. Dort lagen zwei Fermi-Niveaudurchgänge etwa 0,01 Å⁻¹ auseinander. Drehten die Forscher die Messrichtung zur Γ′–K′-Achse, nahm die Trennung schrittweise ab, bis die Zustände dort wieder dieselbe Energie hatten. Dieses sechsfache Wechselmuster entspricht der für das Material vorhergesagten g-Wellen-Symmetrie.
Entscheidend war eine zweite Messung, die zusätzlich den Spin der ausgelösten Elektronen bestimmte. Über eine markante Tasche der Fermi-Fläche hinweg verschoben sich die beiden Spinkanäle gegeneinander und tauschten ihre dominante Rolle. Die gemessene Spinpolarisation wechselte dabei von ungefähr minus 13 auf plus 13 Prozent.
Damit spricht nicht nur die Form der Bänder, sondern auch ihr tatsächlicher Spinzustand für Altermagnetismus. Die beobachtete Umkehr stimmt mit der berechneten Spintextur überein. Zugleich folgt die Aufspaltung der Kristallsymmetrie und verschwindet in den Richtungen, in denen diese Symmetrie eine Entartung erzwingt.
Auch die Temperaturmessungen verbinden die ungewöhnliche Elektronenstruktur mit der Magnetordnung. Oberhalb der Néel-Temperatur von 178 Kelvin veränderten und verbreiterten sich mehrere Spektralmerkmale. Bei 200 Kelvin war die für den geordneten Zustand typische Struktur deutlich abgeschwächt, beim erneuten Abkühlen kehrten die Tieftemperaturmerkmale zurück.
Die Autoren interpretieren diese Änderungen als Hinweis darauf, dass die altermagnetische Aufspaltung beim Verlust der magnetischen Ordnung unterdrückt wird. Nicht jede Intensitätsänderung lässt sich jedoch eindeutig diesem Effekt zuschreiben. Thermische Verbreiterung und temperaturabhängige Photoemissionseffekte können ebenfalls beitragen, weshalb die Studie die Temperaturdaten entsprechend vorsichtig einordnet.