Forschung zeigt neue Art von Ferromagnetismus mit völlig unterschiedlicher Ausrichtung magnetischer Momente

Damit ein Magnet an einer Kühlschranktür haftet, müssen mehrere physikalische Effekte im Inneren perfekt zusammenarbeiten. Die magnetischen Momente seiner Elektronen zeigen alle in die gleiche Richtung, auch wenn kein äußeres Magnetfeld sie dazu zwingt.

Dies geschieht aufgrund der sogenannten Austauschwechselwirkung, einer Kombination aus elektrostatischer Abstoßung zwischen Elektronen und quantenmechanischen Effekten der Elektronenspins, die wiederum für die magnetischen Momente verantwortlich sind. Dies ist eine häufige Erklärung dafür, dass bestimmte Materialien wie Eisen oder Nickel ferromagnetisch oder permanentmagnetisch sind, solange man sie nicht über eine bestimmte Temperatur erhitzt.

An der ETH in Zürich hat ein Forscherteam um Ataç Imamoğlu vom Institut für Quantenelektronik und Eugene Demler vom Institut für Theoretische Physik nun eine neue Art von Ferromagnetismus in einem künstlich hergestellten Material entdeckt, bei dem die Ausrichtung der magnetischen Momente kommt auf ganz andere Weise zustande. Sie vor kurzem veröffentlicht ihre Ergebnisse im Journal Natur.

Künstliches Material mit Elektronenfüllung

Im Labor von Imamoğlu hat Ph.D. Der Student Livio Ciorciaro, der Postdoktorand Tomasz Smolenski und seine Kollegen stellten ein spezielles Material her, indem sie atomar dünne Schichten aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien (Molybdändiselenid und Wolframdisulfid) übereinander legten.

In der Kontaktebene führen die unterschiedlichen Gitterkonstanten der beiden Materialien – der Abstand zwischen ihren Atomen – zur Bildung eines zweidimensionalen periodischen Potentials mit einer großen Gitterkonstante (dreißigmal größer als die der beiden Halbleiter), was möglich ist durch Anlegen einer elektrischen Spannung mit Elektronen gefüllt werden.

„Solche Moiré-Materialien haben in den letzten Jahren großes Interesse geweckt, da sich mit ihnen Quanteneffekte stark wechselwirkender Elektronen sehr gut untersuchen lassen“, sagt Imamoğlu. „Über ihre magnetischen Eigenschaften war bisher allerdings nur sehr wenig bekannt.“

Um diese magnetischen Eigenschaften zu untersuchen, haben Imamoğlu und seine Mitarbeiter gemessen, ob das Moiré-Material für eine bestimmte Elektronenfüllung paramagnetisch, mit zufällig ausgerichteten magnetischen Momenten, oder ferromagnetisch war. Sie beleuchteten das Material mit Laserlicht und maßen, wie stark das Licht bei verschiedenen Polarisationen reflektiert wurde.

Die Polarisation gibt an, in welche Richtung das elektromagnetische Feld des Laserlichts schwingt, und je nach Ausrichtung der magnetischen Momente – und damit der Elektronenspins – reflektiert das Material eine Polarisation stärker als die andere. Aus dieser Differenz kann man dann berechnen, ob die Spins in die gleiche Richtung oder in unterschiedliche Richtungen zeigen, woraus die Magnetisierung ermittelt werden kann.

Schlagende Beweise

Durch stetiges Erhöhen der Spannung füllten die Physiker das Material mit Elektronen und maßen die entsprechende Magnetisierung. Bis zu einer Füllung von genau einem Elektron pro Platz des Moiré-Gitters (auch Mott-Isolator genannt) blieb das Material paramagnetisch. Als die Forscher dem Gitter immer wieder Elektronen hinzufügten, geschah etwas Unerwartetes: Das Material verhielt sich plötzlich sehr ähnlich wie ein Ferromagnet.

„Das war ein schlagender Beweis für eine neue Art von Magnetismus, der nicht durch die Austauschwechselwirkung erklärt werden kann“, sagt Imamoğlu. Wenn die Austauschwechselwirkung für den Magnetismus verantwortlich wäre, hätte dieser tatsächlich mit weniger Elektronen im Gitter auftreten müssen. Der plötzliche Beginn deutete also auf einen anderen Effekt hin.

Kinetischer Magnetismus

Eugene Demler hatte in Zusammenarbeit mit dem Postdoktoranden Ivan Morera schließlich die entscheidende Idee: Sie könnten einen Mechanismus untersuchen, den der japanische Physiker Yosuke Nagaoka bereits 1966 theoretisch vorhergesagt hatte In die gleiche Richtung minimieren die Elektronen ihre kinetische Energie (Bewegungsenergie), die viel größer ist als die Austauschenergie.

Im Experiment der ETH-Forschenden geschieht dies, sobald sich mehr als ein Elektron pro Gitterplatz im Moiré-Material befindet. Dadurch können sich Elektronenpaare zu sogenannten Dublonen zusammenschließen. Die kinetische Energie wird minimiert, wenn sich die Dublonen durch quantenmechanisches Tunneln über das gesamte Gitter ausbreiten können.

Dies ist jedoch nur möglich, wenn die einzelnen Elektronen im Gitter ihre Spins ferromagnetisch ausrichten, da sonst quantenmechanische Überlagerungseffekte gestört werden, die die freie Expansion der Dublonen ermöglichen.

„Bisher wurden solche Mechanismen für kinetischen Magnetismus nur in Modellsystemen nachgewiesen, beispielsweise in vier gekoppelten Quantenpunkten“, sagt Imamoğlu, „jedoch nie in ausgedehnten Festkörpersystemen wie dem, das wir verwenden.“

Als nächsten Schritt will er die Parameter des Moiré-Gitters verändern, um zu untersuchen, ob der Ferromagnetismus auch bei höheren Temperaturen erhalten bleibt; Im aktuellen Experiment musste dieses Material noch auf ein Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.