Antiferromagnete: "Unsere Entdeckung ist real und wissenschaftlich nachgewiesen"

Der im 19. Jahrhundert entdeckte Hall-Effekt bezieht sich auf die Ablenkung von Elektronen aus geradlinigen Bewegungsbahnen in einem angelegten Magnetfeld. Bei ferromagnetischen Materialien ist diese Auslenkung viel stärker und liegt auch ohne ein externes Magnetfeld vor. Diese transversalen elektronischen Zustände bewegen sich ohne Dissipation, sodass die Elektronen dabei keine Energie verlieren. Das Vorhandensein anderer Zustände und störende ferromagnetische Streufelder behindern jedoch weitere Fortschritte in diesem aufregenden Wissenschafts- und Technologiebereich. Die jüngsten Ergebnisse von Dr. Šmejkal deuten allerdings auf einen unerwarteten Fortschritt hin.

Herr Dr. Šmejkal, auf welches Problem konzentrieren sich Ihre Forschungen?

Dr. Libor Šmejkal: Viele faszinierende und technologisch wichtige Komponenten in der Nanoelektronik beruhen auf Ferromagnetismus. Ein berühmt-berüchtigtes Beispiel ist der magnetische Lesekopf der Festplatte im Computer. Das Problem ist, dass Ferromagneten Streufelder erzeugen, die die Skalierung von Geräten einschränken und andere Teile der Elektronik stören können. Sie können auch die Zustände mit geringer Dissipation zerstören, die für die Entwicklung der nächsten Generation von Nanoelektronikgeräten vielversprechend sind.

Ferromagnete sind auch oft stark metallisch, was die Trennung der Zustände mit geringer Dissipation von den anderen herkömmlichen Zuständen, die Energie verlieren behindert und die Leistungsfähigkeit des Gerätes einschränken.

Einerseits benötigt man sie also, um den Effekt zu erzielen, und andererseits sind sie jedoch ein Hindernis. Die dissipationsfreie Grenze des Hall-Effekts wurde nur bei sehr niedrigen Temperaturen von minus 200 Grad Celsius oder bei extrem großen angelegten Magnetfeldern beobachtet. Sie können sich aber sicherlich vorstellen, dass Ihr Computer oder einige medizinische Anwendungen natürlich keinen großen Kühlschrank oder Magneten enthalten können.

Interessanterweise wurde in den 1930er Jahren eine andere Art von Magneten entdeckt, die als Antiferromagnete bezeichnet werden. Antiferromagnete haben antiparallele Momente in den Kristallen. Wenn Sie in den atomaren Bereich im Material zoomen, sind die Momente nicht alle in eine gleichmäßige Richtung ausgerichtet, wie das bei Ferromagneten der Fall ist, sondern sie sind wie eine Art Schachbrett orientiert: Auf, ab, auf, ab und so weiter (in Abbildung 1 in Rot und Blau markiert).

Viele Jahrzehnte lang glaubten Wissenschaftler, dass diese aufgrund der wechselnden Ausrichtung ihrer Momente keine Effekte hervorrufen, die in Ferromagneten vorhanden sind. Und das bringt uns schließlich zu unserer Entdeckung von "ferromagnetischen Effekten" in antiferromagnetischen Substanzen. Wir haben uns folgende Frage gestellt: Ist es überhaupt möglich, die unerwünschten dipolaren Magnetfelder zu unterdrücken, ohne die magnetischen Effekte selbst zu zerstören? Können wir einige Systeme finden, die für Anwendungen besser geeignet sind?

Dabei haben wir herausgefunden, dass wir das Material antiferromagnetisch halten können, wenn wir in einem Schachbrett-artigen Antiferromagnet-Käfig nichtmagnetische Atome auf raffinierte Weise verteilen. Jedoch beginnen diese, magnetische Effekte zu zeigen! Wir simulierten praktisch die relativistischen quantenmechanischen Effekte solcher Materialien mit dem Supercomputer (Abbildung 2). Dabei stellten wir fest, dass im Gegensatz zu dem, was allgemein bekannt ist, in diesen Materialien eine neue Form von Magnetisierungsdichte und Hall-Strom entsteht!

Wenn man die herkömmlichen Magnete wie Eisen betrachtet, sind die Magnetisierungsdichten sehr symmetrisch und sehen aus wie Ballone um die Atome. Viele herkömmliche Antiferromagnete weisen auch sehr kugelförmige Magnetisierungsdichten auf (siehe Abbildung 1 links). Leider kompensieren die magnetischen Effekte präzise die entgegengesetzt polarisierten sphärischen Magnetisierungswolken. Wir stellten erstaunt fest, dass die Magnetisierungsdichten in unserer neuen Art von Antiferromagneten eher wie Hanteln geformt sind. Diese neue Verteilung der magnetischen Dichte führt nicht zu einer Kompensation der magnetischen Effekte wie des Hall-Stroms, wie aus den in Abbildung 1 rechts gezeigten anisotropen Formen intuitiv zu erkennen ist.

Gleichzeitig integrieren sich die Magnetisierungsdichten jedoch auf null, sodass es keine Streufelder gibt. Und das ist genau das, was wir erreichen wollten: All die großartigen magnetischen Effekte und sich bewegenden Elektronen ohne Dissipation bei Raumtemperatur und ohne Streufelder! Der nächste Schritt besteht darin, diese Elektronen an die Kanten zu drücken, da wir dann die Zustände entfernen könnten, die in der Masse verbleiben. Diese sind sehr leitfähig und verringern die Effizienz. Dann wären wir dem Traum sehr nahe, nur diese dissipationsfreien Zustände bei Raumtemperatur in einer perfekt kompensierten antiferromagnetischen Substanz zu haben

Können Sie die Zusammenhänge zur Medizintechnik erklären?

Šmejkal: Der erste Zusammenhang bezieht sich auf magnetische Sensoren und Speicher. Die meisten dieser Technologien basieren auf den ferromagnetischen Mehrfachschichten mit komplexen Streufeldern. Unsere neue Art von Antiferromagneten weist praktisch mindestens drei Größenordnungen an kleineren Streufeldern auf. Während die vorhandene ferromagnetische Technologie in Gigahertz-Frequenzen arbeitet, sind die antiferromagnetischen Eigenfrequenzen im Terahertz-Bereich unterwegs. Dadurch können solche Geräte 1000-mal schneller sein. Hier haben wir also eine potenzielle Anwendung, mit der wir die vorhandene Technologie verbessern können.

Bei der zweiten Anwendung geht es eher darum, brandneue Nanoelektronik-Komponenten zu erfinden, die in jeder Branche eingesetzt werden, einschließlich der Automobilindustrie und auch der Medizintechnik. Es geht also nicht mehr nur um Sensoren, Speicher, Magnetresonanztechnologien usw., sondern um jede Art von nanoelektronischen Geräten. Das kommt daher, weil unsere neuen Antiferromagnete die Elektronen möglicherweise mit deutlich weniger Erwärmung und viel weniger Energieverlust antreiben und bewegen können als bereits vorhandene Technologien - aber das ist eher ein futuristischer Ausblick in die Zukunft.

Sie erwähnten bereits, dass Antiferromagneten in der Natur viel häufiger vorkommen als Ferromagneten. Könnte dies demnach die Nachhaltigkeit in der Nanoelektronik  erhöhen?

Šmejkal: Ja, auf jeden Fall. Viele der Systeme, die die Menschheit seit mehr als 100 Jahren untersucht, behindern den Fortschritt in Bezug auf Nachhaltigkeit. Die herkömmlichen Forschungsmaterialien für die Nanoelektronik bestehen häufig aus seltenen, schweren, teuren oder teilweise sogar toxischen Elementen und sind sehr schwer in den Zustand niedriger Dissipation zu lenken. Im scharfen Gegensatz dazu können unsere antiferromagnetischen Systeme eine innovative, dissipationslose Nanoelektronik ermöglichen, ohne auf schwere und teure Elemente angewiesen zu sein. Darüber hinaus kommen unsere Antiferromagnete in der Natur viel häufiger vor. Geräte, die aus Antiferromagneten hergestellt werden, können daher kostengünstiger sein, was ein sehr wichtiger Faktor für den industriellen Erfolg jeder neuen Technologie ist.

Viele Materialien, die in der Natur nur sehr selten vorkommen, erweisen sich auch oft als sehr zerbrechlich und anfällig. Unsere Systeme sind dagegen viel robuster – und wir haben jetzt auch die nötigen, experimentellen Beweise dafür. Wir haben bereits eine erste experimentelle Signatur, bei der wir die Signale messen konnten. Ich möchte hier besonders betonen, dass es sich hier um eine multidisziplinäre Zusammenarbeit mit unseren Freunden aus Forschungseinrichtungen in Mainz, der Tschechischen Republik, Kolumbien, China und dem Vereinigten Königreich von Großbritannien handelt, die einen so raschen und aufregenden Fortschritt ermöglichte. Sie erstellen die Materialien nach unseren Vorgaben Schicht für Schicht, Atom für Atom, und erzielen dabei eine genaue Übereinstimmung mit unserer Theorie. Das heißt, unsere Entdeckung ist jetzt offiziell experimentell verifiziert und eröffnet viele spannende neue Möglichkeiten.