Traditioneel werd magnetisme in twee soorten verdeeld: ferromagnetische, dat duizenden jaren bekend is, en antiferromagnetische, dat ongeveer een eeuw geleden werd ontdekt. Anno 2024 komt daar een derde vorm bij: altermagnetisme. Enkele jaren geleden werd deze derde vorm al door onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz en de Tsjechische Academie van Wetenschappen in Praag voorspeld. Nu is altermagnetisme ook experimenteel aangetoond.
Wie aan een magneet denkt, heeft waarschijnlijk een ferromagneet ingedachte. Met zijn sterk magnetisch veld kan een boodschappenlijstje op de deur van een koelkast bevestigd worden of een elektromotor in een elektrische auto worden gemaakt. Het magnetische veld van een ferromagneet ontstaat wanneer het magnetische veld van miljoenen atomen in dezelfde richting is uitgelijnd. Dit magnetische veld kan ook worden gebruikt om de elektrische stroom in IT-componenten te moduleren.
Nu vormt het ferromagnetische veld een ernstige beperking voor de ruimtelijke en temporele schaalbaarheid van de componenten. Er is de laatste jaren daarom veel onderzoek gedaan naar antiferromagnetisme. Antiferromagneten zijn minder bekende maar veel vaker voorkomende materialen in de natuur. Kenmerkend is dat de richtingen van de atomaire magnetische velden op aangrenzende atomen verspringen als witte en zwarte kleuren op een schaakbord. Als geheel creëren antiferromagneten dus geen ongewenste magnetische velden, maar helaas zijn ze zo antimagnetisch dat ze nog geen actieve toepassing hebben gevonden in de informatietechnologie.
Altermagneten combineren “onverenigbare” voordelen
Recent voorspelde altermagneten combineren de voordelen van ferromagneten en antiferromagneten. Aanvankelijk werd gedacht dat deze fundamenteel onverenigbaar waren. Dit blijkt nu niet het geval en er zijn bovendien nog andere unieke voordelen die in de andere magnetismevormen niet gevonden worden.
Altermagneten kunnen worden beschouwd als magnetische regelingen waarbij niet alleen de atoommomenten op naburige atomen elkaar afwisselen, maar ook de oriëntatie van de atomen in het kristal. Altermagneten creëren hierdoor geen magnetisch veld aan de buitenkant, maar de elektronen binnenin voelen een magnetisch veld dat effectief 1000 keer sterker is dan het veld van de magneet op de koelkast. Net als ferromagneten kunnen de velden dus elektrische stromen moduleren wat ze in potentie zeer aantrekkelijk maakt voor toepassingen in toekomstige ultraschaalbare nano-elektronica.
Bovendien hebben wetenschappers meer dan 200 kandidaatmaterialen voor altermagnetisme geïdentificeerd met eigenschappen die isolatoren, halfgeleiders, metalen en zelfs supergeleiders omvatten. Hoewel veel van deze materialen in het verleden uitvoerig zijn onderzocht en altermagnetime al vijf jaar geleden voorspeld werd, bleef het fenomeen tot voor kort voor de wetenschap verborgen.
Theoretische voorspellingen
Vanaf 2019 publiceerde een team van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz en het Instituut voor Natuurkunde in Praag een reeks artikelen waarin ze onconventionele magnetische materialen theoretisch identificeerden. In 2021 voorspelde hetzelfde team van dr. Libor Šmejkal, professor Jairo Sinova en professor Tomas Jungwirth dat deze materialen een derde fundamenteel type magnetisme vormen, dat zij altermagnetisme noemden en waarvan de kristal- en magnetische structuur volledig verschilt van conventionele ferromagneten en antiferromagneten. Omdat altermagnetisme brede en ongekende mogelijkheden opent voor onderzoek en toepassing, kwam er vrijwel direct na de theoretische voorspelling een golf van vervolgstudies door onderzoeksgroepen van over de hele wereld. Vervolgens was het de vraag wanneer het directe experimentele bewijs zou komen.
Experimenteel bewijs
Een internationaal team van onderzoekers heeft nu dergelijk bewijs geleverd in een studie die recentelijk in Nature werd gepubliceerd. De onderzoekers besloten kristallen te onderzoeken van een eenvoudige altermagnetische kandidaat met twee elementen – mangaan-telluride (MnTe). Traditioneel werd dit materiaal beschouwd als een van de klassieke antiferromagneten omdat de magnetische momenten op naburige mangaanatomen in tegengestelde richtingen wijzen en dus geen extern magnetisch veld rond het materiaal creëren. Nu hebben wetenschappers voor het eerst rechtstreeks het altermagnetisme van MnTe kunnen aantonen. Ze gebruikten theoretische voorspellingen in een foto-emissie-experiment om te navigeren in welke richting “het licht” op hoogwaardige op MnTe-kristallen zou “schijnen”. Het team mat de bandstructuren (kaarten die natuurkundigen gebruiken om de eigenschappen van elektronen in kristallen te beschrijven) op een synchotron. Vervolgens konden ze aantonen dat ondanks de afwezigheid van een extern magnetisch veld de elektronische toestanden in MnTe sterk spinsplit zijn. De schaal en vorm van de spinsplitsing kwamen perfect overeen met de altermagnetische splitsing die behulp van kwantummechanische berekeningen voorspeld was.
Bovendien konden de onderzoekers voor het eerst spin-polarisatie van de banden detecteren.”Dit is het directe bewijs dat MnTe noch een conventionele antiferromagneet noch een conventionele ferromagneet is, maar behoort tot een nieuwe altermagnetische tak van magnetische materialen,” aldus Dr. Libor Šmejkal van de JGU, de hoofdauteur van het theoretische deel van het artikel.
Voor het onderzoek werd gebruik gemaakt van de expertise van onderzoekers van het Instituut voor Natuurkunde van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz in Duitsland in samenwerking met wetenschappers van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in Praag, het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland, de Universiteit van West-Bohemen in Pilsen, de Universiteit van Linz in Oostenrijk, de Universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk en de Charles Universiteit in Praag.
Nieuwe onderzoeksrichtingen
“Na de eerste voorspellingen en met de snel groeiende wereldwijde interesse in altermagnetisme zijn we erg blij dat we hebben kunnen bijdragen aan de experimentele demonstratie in MnTe,” zei Dr. Libor Šmejkal van de Universiteit van Mainz.Professor Jairo Sinova, directeur van de Interdisciplinaire Spintronica Onderzoeksgroep (INSPIRE) en het Spin Fenomenen Interdisciplinair Centrum (SPICE) aan de JGU en co-auteur van het onderzoek, voegde hieraan toe: “De ontdekking van altermagnetisme heeft een nieuwe richting gegeven aan het wereldwijde onderzoek naar nieuwe fysische en materiaalprincipes voor zeer schaalbare en energie-efficiënte IT-componenten.”
Opmerkelijk is dat het veld zich steeds verder uitbreidt en dat er onlangs verschillende andere onderzoeken zijn verschenen die verschillende andere eigenschappen van altermagnetische materialen bevestigen. De ontdekking van altermagnetisme lijkt dus nog maar het begin te zijn van een aantrekkelijk nieuw tijdperk.
