Ein Kristall aus Mangan und Tellur liefert den bislang klarsten experimentellen Beleg dafür, dass Altermagnetismus eine eigenständige dritte Form magnetischer Ordnung ist. Polarisierte Röntgenstrahlen machen dabei eine Händigkeit der kollektiven Spinbewegungen sichtbar, die ein gewöhnlicher Antiferromagnet so nicht besitzen dürfte. Der Befund eröffnet eine neue Materialklasse für Spintronik, Speicher und künftige energieeffiziente Elektronik. Entscheidend ist, warum sich die magnetische Ordnung zugleich stabil und gut auslesbar verhält.
Am European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble legte ein Team um Daniel Jost eine Probe aus Mangan-Tellurid in einen hochpräzisen Röntgenstrahl und suchte nach einer Eigenschaft, die sich mit den beiden klassischen Magnetklassen nicht erklären lässt. Jost arbeitet am SLAC National Accelerator Laboratory und am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences. Die Originalmeldung des SLAC beschreibt eine charakteristische Chiralität der magnetischen Anregungen. Diese Händigkeit entspricht der besonderen Symmetrie, die theoretische Modelle für Altermagnete verlangen, und liefert damit einen direkten experimentellen Prüfstein statt nur indirekter Hinweise aus elektrischen Messungen.
Magnetismus entsteht auf mikroskopischer Ebene aus dem Spin der Elektronen, einer quantenmechanischen Eigenschaft mit einer bevorzugten Orientierung. In einem Ferromagneten richten sich viele Spins gleich aus, weshalb etwa ein Kühlschrankmagnet ein äußeres Feld erzeugt. Antiferromagnete, deren Ordnung seit 1933 als eigene Klasse bekannt ist, besitzen dagegen abwechselnd entgegengesetzte Spins; ihre Beiträge heben sich nach außen weitgehend auf. Altermagnete kombinieren diese gegensätzliche Spinordnung mit einer zusätzlichen geometrischen Verdrehung des Kristallgitters. Genau diese Kombination verändert, wie sich Elektronen und magnetische Wellen im Material bewegen.
Für den Nachweis nutzten die Physiker zirkular polarisiertes Röntgenlicht, dessen elektromagnetisches Feld sich beim Ausbreiten entweder links- oder rechtshändig dreht. Ein chirales Material reagiert auf beide Varianten unterschiedlich, ähnlich wie eine linke und eine rechte Hand zwar Spiegelbilder sind, aber nicht deckungsgleich aufeinanderpassen. Rachel Nickel vom ESRF half bei Planung und Durchführung der Messung an der Beamline ID32, die speziell für polarisationsabhängige Spektroskopie ausgelegt ist. Die Probe streute die beiden Lichtarten messbar verschieden. Dieses Signal passt zu einer magnetischen Struktur mit eigener Händigkeit und unterscheidet Mangan-Tellurid von einem konventionellen Antiferromagneten.
Die Messmethode heißt resonante inelastische Röntgenstreuung mit Zirkulardichroismus. Dabei registriert ein Spektrometer nicht nur, ob Röntgenlicht gestreut wird, sondern auch, wie sich seine Energie nach der Wechselwirkung mit dem Kristall verändert. So werden kollektive magnetische Anregungen sichtbar, sogenannte Magnonen. Im neuen Experiment trägt eine dieser Anregungen eine eindeutige Chiralität. Die Autoren bezeichnen sie als „chiralen Altermagnon“. Seine Impulsabhängigkeit stimmt mit der für Mangan-Tellurid erwarteten g-Wellen-Symmetrie überein, die aus der räumlichen Anordnung der magnetischen Untergitter folgt.
Mangan-Tellurid galt lange als klassischer Antiferromagnet, weil seine benachbarten magnetischen Momente entgegengesetzt ausgerichtet sind und dadurch kein starkes äußeres Gesamtfeld entsteht. Neuere theoretische Arbeiten ordneten das Material jedoch einer anderen Symmetrieklasse zu. Das Entscheidende liegt nicht in einer zusätzlichen Magnetisierung, sondern in der Drehung der kristallinen Umgebung um die entgegengesetzt orientierten Spins. Dadurch kann die elektronische Bandstruktur spinabhängig aufgespalten werden, obwohl das Material nach außen nahezu unmagnetisch wirkt. Genau diese Kombination macht Altermagnetismus physikalisch eigenständig.
Ein verwandter Materialbefund wurde zuletzt auch bei ultradünnem Bismutferrit untersucht. Dort fanden Forscher altermagnetische Signaturen in einem nur wenige Atomlagen dicken Film, der zugleich elektrische Polarisation bewahrt. Der Bismutferrit-Film mit altermagnetischen Signaturen zeigt, dass die neue Magnetklasse nicht auf einen einzigen Kristall beschränkt sein muss. Der nun untersuchte MnTe-Kristall liefert jedoch einen anderen Beleg: Seine magnetische Anregung besitzt die vorhergesagte Händigkeit direkt im Spektrum.
Die erste Messkampagne am Synchrotron lief 2024. Weil die gesuchte Asymmetrie klein ist und eine fehlerhafte Polarisationsanalyse ein ähnliches Muster vortäuschen könnte, kehrte das Team Anfang des folgenden Jahres an die Anlage zurück. Die Wiederholung reproduzierte den charakteristischen Unterschied zwischen links- und rechtshändig polarisiertem Röntgenlicht. Damit beruht die Schlussfolgerung nicht auf einem einzelnen Scan. In der zugehörigen Science-Arbeit beschreiben die Autoren die polarisationsaufgelösten Daten als Beleg für eine eigenständige Klasse magnetischer Anregungen.
Der Nachweis betrifft die kollektive Dynamik der Spins und nicht bloß eine statische Momentaufnahme des Kristalls. Magnonen können sich durch ein magnetisch geordnetes Material ausbreiten und dabei Drehimpuls transportieren. Ihre Eigenschaften hängen eng davon ab, welche Symmetrien das Gitter zulässt. Im Altermagneten trägt diese Dynamik eine Richtungsinformation, die bei gewöhnlichen Antiferromagneten fehlt. Dadurch entsteht ein messbarer Unterschied, obwohl sich die entgegengesetzten magnetischen Momente im Mittel weiterhin gegenseitig kompensieren.
Für elektronische Anwendungen ist diese Mischung attraktiv, weil Ferromagnete und Antiferromagnete jeweils unterschiedliche Nachteile besitzen. Ferromagnetische Speicher lassen sich gut auslesen, reagieren aber auch auf unerwünschte äußere Magnetfelder. Antiferromagnete sind gegenüber solchen Störungen stabiler, liefern jedoch nur schwer zugängliche magnetische Signale. Altermagnete sollen beides verbinden: eine verschwindende Nettomagnetisierung und zugleich spinpolarisierte elektronische Zustände, die sich für Informationsverarbeitung nutzen lassen. Eine fertige Speicherzelle demonstriert die neue Arbeit noch nicht.
Spintronik verarbeitet Information zusätzlich über den Spin der Elektronen und nicht ausschließlich über ihre elektrische Ladung. Damit lassen sich prinzipiell schnellere Schaltvorgänge und geringere Verlustleistungen anstreben, wenn geeignete Materialien zuverlässig geschrieben und gelesen werden können. Einen anderen Weg zu schneller magnetischer Datenspeicherung verfolgt die Forschung mit optischen Verfahren: Ein Laser kann magnetische Bereiche extrem schnell umschalten. Altermagnetismus setzt dagegen am Material selbst an und verändert, welche Spinströme ohne starkes äußeres Magnetfeld möglich sind.
Der nächste technische Schritt besteht darin, altermagnetische Zustände gezielt zu kontrollieren. Das SLAC-Team nennt dafür Licht und elektrische Ströme als mögliche Werkzeuge. Für reale Bauteile müsste ein Zustand reproduzierbar geschrieben, über viele Schaltzyklen stabil gehalten und anschließend mit einem klaren elektrischen Signal ausgelesen werden. Ebenso offen ist, welche Materialsysteme sich als dünne Filme herstellen und in etablierte Halbleiterprozesse integrieren lassen. Die aktuelle Arbeit beantwortet zunächst die grundlegendere Frage, ob die postulierte magnetische Klasse experimentell eine eigene Signatur besitzt.
Die Suche dürfte sich nun auf weitere Kandidaten ausweiten, deren Kristallsymmetrie dieselbe Art von spinabhängiger Aufspaltung erlaubt. Besonders interessant sind Materialien, die bei technisch brauchbaren Temperaturen stabil bleiben und deren magnetische Domänen kontrolliert werden können. Künftige Experimente müssen außerdem zeigen, wie schnell sich solche Domänen schalten lassen und wie stark die dabei erzeugten Spinströme tatsächlich sind. Erst diese Werte entscheiden, ob Altermagnete aus dem Spektrometer in Speicherchips, Rechenzentren oder andere elektronische Systeme wechseln.
Science, Chiral altermagnon in MnTe; doi:10.1126/science.adv3196
SLAC National Accelerator Laboratory, SLAC researchers find proof of altermagnetism, a new magnetic phase
European Synchrotron Radiation Facility, Researchers find proof of altermagnetism, a new magnetic phase
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