Das seltene Magnetismus von Rost könnte ultraschnelle Quantengeräte antreiben

„Hämatit ist reichlich vorhanden, chemisch stabil und nicht giftig“, sagte Qiyang Sun, PhD, Projektleiter und Postdoktorand an ORNL.

„Durch die Bestätigung seiner altermagnetischen Natur eröffnen wir eine neue Plattform für Ingenieure, um Hochgeschwindigkeits-, energiearme Quantenelektronik mit Materialien zu entwickeln, die kostengünstig und weit verbreitet sind.“ Im Quantenzustand von Hämatit Altermagnete sind im Gegensatz zu konventionellen und antiferromagneten magnetische Materialien, bei denen die Elektronenspins in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind.

Dies ermöglicht den Fluss reiner Spinströme ohne elektrische Ladung, was sie ideal für spintronische Anwendungen macht.

Technischer Hintergrund

Währenddessen basiert Spintronik oder Magnetoelektronik auf einer Technologie, die den Spin der Elektronen und nicht deren Ladung zur Datenverarbeitung und -speicherung nutzt, was Geräte ermöglichen könnte, die schneller arbeiten und dabei viel weniger Energie verbrauchen als moderne Elektronik.

Allerdings ist die Identifizierung praktischer und geeigneter Materialien für spintronische Anwendungen bisher eine große Herausforderung geblieben. Um die Eigenschaften von Hämatit zu überprüfen, wandten sich die Forscher der Spallation Neutron Source (SNS) zu, einer der weltweit fortschrittlichsten Neutronenforschungsanlagen.

Vor Ort verwendete das Team eine Technik, die als inelastische Neutronenstreuung bekannt ist, welche als ein Ereignis definiert ist, bei dem Neutronen Energie verlieren oder gewinnen, indem sie Energie an ein Muster übertragen. Auf diese Weise untersuchten die Wissenschaftler die interne magnetische Dynamik des Materials auf atomarer Ebene.

Was die Studie zeigt

Obwohl Neutronen keine elektrische Ladung tragen, besitzen sie ein magnetisches Moment und eignen sich daher einzigartig für die Untersuchung des Magnetismus. So analysierten die Forscher Spinwellen (kollektive Anregungen, die durch die magnetische Struktur eines Materials wandern).

Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Aufspaltung der Energie dieser Spinwellen, ein subtiles, aber eindeutiges Zeichen für Altermagnetismus. Das Phänomen, das als Magnon-Aufspaltung bezeichnet wird, kann nicht mit anderen experimentellen Techniken erfasst werden.

„Inelastische Neutronenstreuung ist die einzige Methode, die in der Lage ist, diese feinen Spektralmerkmale aufzulösen“, sagte Sun.

Technik und Auswirkungen

„Sie bietet gleichzeitig Impuls- und Energieresolution, was es uns ermöglichte, die subtile Magnonspaltung nachzuweisen, die Altermagnetismus definiert.“ Die Forschung kombinierte Experimente mit Modellierungen mithilfe der Software Sunny des ORNL sowie Hochleistungsrechnen. Die Software wurde entwickelt, um Quantenmagnetismus zu untersuchen.

„Die Bestätigung des Altermagnetismus in Hämatit – einem Material, das so häufig ist wie Rost – zeigt, dass eine potenzielle Komponente für die nächste Revolution in der Hochgeschwindigkeits-, stromarmen Quantenelektronik bereits um uns herum sein könnte“, schloss Sun in einer Pressemitteilung.

Den Forschern zufolge könnten die Ergebnisse das elektronische Design neu gestalten. Sie glauben, dass ladungsfreie Spinströme Energieverluste und Wärme reduzieren und gleichzeitig die Effizienz steigern könnten.

Zukünftige Arbeiten werden untersuchen, wie Spinwellenlücken den Wärmetransport in Hämatit beeinflussen. Die Studie wurde im Journal Physical Review Letters veröffentlicht.