Eine überraschende Entdeckung: Wissenschaftler enthüllen eine neue Form von Magnetismus

Die bisher bekannten Formen des Magnetismus

Der bekannteste Typ des Magnetismus ist der Ferromagnetismus, der dafür verantwortlich ist, dass Magneten Dinge anziehen und auf dem Kühlschrank haften bleiben. Dieser entsteht, wenn die Spins aller Elektronen in einem Material in die gleiche Richtung zeigen. Es gibt jedoch auch andere Formen wie den Paramagnetismus, eine schwächere Version, die auftritt, wenn die Elektronenspins in zufällige Richtungen zeigen.

Die Entdeckung der neuen Form von Magnetismus

Bei ihren Experimenten mit moiré-Materialien aus Molybdändiselenid und Wolframdisulfid stießen die Wissenschaftler auf eine bisher unbekannte Form des Magnetismus. Diese Materialien bestehen aus zweidimensionalen Schichten mit einer Gitterstruktur, die Elektronen enthalten können.

Um die Art des Magnetismus in diesen Materialien zu bestimmen, führte das Team zunächst Elektronen in das Material, indem sie einen elektrischen Strom anlegten und die Spannung stetig erhöhten. Anschließend bestimmten sie den Magnetismus, indem sie einen Laser auf das Material richteten und maßen, wie stark das Licht für verschiedene Polarisationen reflektiert wurde. Dies konnte zeigen, ob die Elektronenspins in die gleiche Richtung zeigen (Ferromagnetismus) oder in zufällige Richtungen (Paramagnetismus).

Die überraschende Entdeckung

Ursprünglich zeigte das Material Paramagnetismus, aber als das Team mehr Elektronen in das Gitter einbrachte, erfolgte eine plötzliche und unerwartete Verschiebung hin zum Ferromagnetismus. Interessanterweise trat diese Veränderung genau dann auf, wenn das Gitter mit mehr als einem Elektron pro Gitterplatz gefüllt wurde, was den Austauschwechselwirkung ausschloss - den üblichen Mechanismus, der den Ferromagnetismus antreibt.


In dem an der ETH hergestellten Moiré-Material sind die Elektronenspins ungeordnet, wenn genau ein Elektron pro Gitterplatz vorhanden ist (links). Sobald es mehr Elektronen als Gitterplätze gibt (rechts) und sich Elektronenpaare zu Doppelonen bilden können (rot), richten sich die Spins ferromagnetisch aus, da dies die kinetische Energie minimiert. (Illustration: ETH Zürich)

Eine neue Erklärung

Das Team schlug einen anderen Mechanismus vor: Wenn mehr als ein Elektron in die Gitterplätze eindringt, bilden sie Partikel namens "Doublons", die durch Quantentunneln das gesamte Gitter füllen. Dabei minimieren die Elektronen ihre kinetische Energie, indem sie ihre Spins ausrichten und somit Ferromagnetismus erzeugen. Dieser "kinetische Magnetismus" wurde zwar seit Jahrzehnten theoretisch vorhergesagt, aber bisher in festen Materialien nicht beobachtet.

Ausblick

Die Forscher planen, das Phänomen genauer zu untersuchen, einschließlich der Frage, ob es auch bei höheren Temperaturen erreicht werden kann. Immerhin musste das Material für dieses Experiment bis knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.

Überlegungen zu potenziellen Anwendungen und Auswirkungen

Die Entdeckung dieser neuen Form von Magnetismus könnte das Verständnis von magnetischen Materialien grundlegend verändern. Neue Anwendungen in der Magnet- und Halbleiterindustrie sind denkbar, und die Erkenntnisse könnten auch Einfluss darauf haben, wie wir zukünftige Technologien und Materialien entwickeln.

Das Verständnis und die Erforschung des Magnetismus sind entscheidend für die Entwicklung von Technologien in zahlreichen Bereichen, von der Informationstechnologie über die Medizin bis hin zur Energiespeicherung. Die jüngste Entdeckung der Wissenschaftler an der ETH Zürich könnte einen bedeutenden Beitrag zu diesem Wissensgebiet leisten und möglicherweise neue Türen für innovative Anwendungen öffnen.



Quelle: Ciorciaro, L., Smoleński, T., Morera, I. et al. Kinetic magnetism in triangular moiré materials. Nature 623, 509–513 (2023). DOI: doi.org/10.1038/s41586-023-06633-0