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Quantenphysik: Forscher wollen Antiferromagnet als Magnetspeicher nutzen

Antiferromagnetische Materialien könnten Daten energiesparend und stabil speichern – nur das Auslesen ist bislang unmöglich gewesen. Forscher haben einen einfachen Weg gefunden.



Äußerlich zeigen antiferromagnetische Materialien kein Magnetfeld, nachdem sie einem anderen Feld ausgesetzt wurden. Auf atomarer Ebene sieht das allerdings anders aus: Die einzelnen Atome haben einen magnetischen Spin, er ist bei benachbarten Atomen aber gegensätzlich ausgerichtet. Makroskopisch heben sich die Effekte so auf, sie können allerdings zu unerwarteten Materialeigenschaften führen. Ein Auslöser ist die Quantenmetrik, sie beschreibt den Abstand benachbarter Wellenfunktionen. Forschern der Nanyang Technological University in Singapur gelang es erstmals, die Quantenmetrik auszulesen.

Für ihre Experimente benötigten die Forscher ein spezielles Material, um andere Einflüsse wie die Berry-Krümmung auszuschließen. Ein Kristall aus Mangan, Bismut und Tellur (MnBi2Te4) erwies sich als vielversprechend. Das Material besteht aus gleichmäßigen, versetzten Schichten. Innerhalb einer Schicht ist der Spin der Manganatome gleich, bei zwei übereinanderliegenden gegensätzlich. Es sind also nur Kristalle mit ganzzahliger Schichtzahl antiferromagnetisch.

Die Quantenmetrik beschreibt, wie bereits oben angedeutet, das Verhältnis der Ausrichtung der Spins der einzelnen Ebenen. Sie gibt an, ob der magnetische Spin von Schicht n, vereinfacht gesagt, nach oben zeigt, der von Schicht n+1 nach unten – oder umgekehrt. Setzen lässt sich der Spin über ein von außen angelegtes Magnetfeld, eine Änderung erfordert allerdings eine Flussdichte von mehreren Tesla.

Spins lenken Elektronen ab

Für ihre Experimente präparierten die Forscher Kristalle mit einer Dicke von nur vier Schichten auf einem Silizium-Wafer. Sie kontaktierten die Kristalle und ließen einen Wechselstrom fließen. Ihre Erwartung: Ist der Kristall antiferromagnetisch polarisiert, sollte eine neue Wechselspannung quer zur Flussrichtung des angelegten Stroms messbar sein.

Wie erwartet zeigten Messungen eine neue Wechselspannungskomponente mit der doppelten Frequenz des angelegten Stroms. Ähnlich einer Diode verhält sie sich nicht linear – bei Quanteneffekten ist das häufig zu beobachten. Die neue Wechselspannung steigt im Vergleich zum Messsignal überproportional stark an. Ihr Vorzeichen hängt dabei von der Quantenmetrik, also der Ausrichtung des Spins der einzelnen Schichten, ab. Sie tritt sowohl in Richtung des angelegten Felds als auch quer dazu auf und ist im Vergleich zu ähnlichen nicht linearen Effekten stark ausgeprägt.

Antiferromagneten mögen es kalt

Bevor antiferromagnetische Materialien eine praktische Anwendung finden, sind allerdings noch ein paar Herausforderungen zu meistern. Die größte: Die Materialien sind nur unterhalb der sogenannten Néel-Temperatur antiferromagnetisch. Wird es zu warm, zeigen sie sich paramagnetisch, die Spins der Atome richten sich willkürlich aus.

Die Néel-Temperatur ist materialabhängig, das verwendete MnBi2Te4 verlor bei 20 Kelvin seine antiferromagnetischen Eigenschaften. Die Messungen haben die Forscher bei 1,8 Kelvin, knapp über dem absoluten Nullpunkt, durchgeführt. Für eine praktische Anwendung als Speicher taugt also zumindest dieses Material nicht – liefert aber neue Einblicke in bislang nur vermutete quantenmechanische Effekte.

Ihre Erkenntnisse haben die Forscher im Fachmagazin Nature veröffentlicht, bei Arxiv findet sich ein Preprint (PDF).

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