Forscher demonstrieren, wie der Magnetismus durch Druck aktiv verändert werden kann

Magnetismus entsteht abhängig vom Verhalten der Elektronen. Beispielsweise können die Elementarteilchen mit ihrer Ladung einen elektrischen Strom erzeugen und dadurch ein Magnetfeld induzieren. Magnetismus kann jedoch auch durch die kollektive Ausrichtung der magnetischen Momente (Spins) in einem Material entstehen. Bisher war es jedoch nicht möglich, die Art des Magnetismus in einem Kristall kontinuierlich zu verändern.

Einem internationalen Forscherteam um TU-Wien-Professor Andrej Pustogow ist nun genau das gelungen: Den Magnetismus „per Knopfdruck“ zu verändern. Dazu veränderte das Team kontinuierlich die magnetischen Wechselwirkungen in einem Einkristall durch Druckausübung. Das haben Forscher kürzlich herausgefunden veröffentlicht ihre Ergebnisse in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Der Magnetismus fasziniert die Menschen schon seit Jahrtausenden und hat viele technische Anwendungen erst möglich gemacht. Von Kompassen über Elektromotoren bis hin zu Generatoren – diese und andere Geräte würden ohne Ferromagnetismus nicht existieren.

Während der Ferromagnetismus bereits gut erforscht ist, interessiert sich die Grundlagenforschung zunehmend für andere Formen des Magnetismus. Diese sind insbesondere für die sichere Datenspeicherung und als mögliche Plattformen für Quantencomputer interessant. „Nach neuartigen Formen des Magnetismus zu suchen und diese vollständig zu kontrollieren, ist jedoch ein äußerst schwieriges Unterfangen“, sagt Studienleiter Andrej Pustogow.

Spins kann man sich als kleine Kompassnadeln vorstellen, die sich in einem äußeren Magnetfeld ausrichten können und selbst über ein Magnetfeld verfügen. Beim Ferromagnetismus, der in Permanentmagneten zum Einsatz kommt, richten sich alle Elektronenspins parallel zueinander aus. Bei manchen Anordnungen von Elektronenspins, beispielsweise in gewöhnlichen quadratischen, schachbrettartigen Kristallgittern, ist auch eine antiparallele Ausrichtung der Spins möglich: Benachbarte Spins zeigen immer abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen.

Bei Dreiecksgittern (oder Gittern, in denen dreieckige Strukturen vorkommen, wie zum Beispiel das komplexere Kagome-Gitter) ist eine vollständig antiparallele Anordnung nicht möglich: Wenn zwei Ecken eines Dreiecks entgegengesetzte Spinrichtungen haben, muss die verbleibende Seite mit einer der beiden Richtungen übereinstimmen . Beide Optionen – Spin-Up oder Spin-Down – sind dann genau gleichwertig.

„Diese Möglichkeit mehrerer identischer Alternativen wird als ‚geometrische Frustration‘ bezeichnet und tritt in Kristallstrukturen auf, deren Elektronenspins in Dreiecks-, Kagome- oder Wabengittern angeordnet sind“, erklärt der Festkörperphysiker Pustogow. Dadurch entstehen zufällig angeordnete Spinpaare, wobei einige Spins überhaupt keinen Partner finden.

„Die verbleibenden ungepaarten magnetischen Momente könnten miteinander verschränkt, mit externen Magnetfeldern manipuliert und so zur Datenspeicherung oder für Rechenoperationen in Quantencomputern genutzt werden“, sagt Pustogow.

„In realen Materialien sind wir von einem solchen Zustand der Idealfrustration noch weit entfernt. Zunächst müssen wir die Symmetrie des Kristallgitters und damit die magnetischen Eigenschaften genau steuern können“, sagt Pustogow. Obwohl bereits Materialien mit starker geometrischer Frustration hergestellt werden können, ist ein kontinuierlicher Wechsel von schwacher zu starker Frustration und umgekehrt bislang nicht möglich, insbesondere nicht in ein und demselben Kristall.

Um den Magnetismus im untersuchten Material „auf Knopfdruck“ zu verändern, setzten die Forscher den Kristall unter Druck. Ausgehend von einer Kagome-Struktur wurde das Kristallgitter durch einachsige Spannung verformt, wodurch sich die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen veränderten.

„Wir nutzen mechanischen Druck, um das System in eine magnetische Vorzugsrichtung zu zwingen. Wie manchmal im wirklichen Leben reduziert Stress die Frustration, weil uns eine Entscheidung aufgezwungen wird und wir sie nicht selbst treffen müssen“, sagt Pustogow.

Dem Team gelang es, die Temperatur des magnetischen Phasenübergangs um mehr als 10 % zu erhöhen. „Das mag auf den ersten Blick nicht viel erscheinen, aber wenn der Gefrierpunkt von Wasser beispielsweise um 10 % erhöht würde, würde es bei 27 °C gefrieren – mit schwerwiegenden Folgen für die Welt, wie wir sie kennen“, erklärt Pustogow.

Während im aktuellen Fall die geometrische Frustration durch mechanischen Druck reduziert wurde, strebt das Forschungsteam nun eine Erhöhung der Frustration an, um den Antiferromagnetismus vollständig zu eliminieren und eine Quantenspinflüssigkeit wie oben beschrieben zu realisieren. „Die Möglichkeit, geometrische Frustration durch einachsige mechanische Beanspruchung aktiv zu kontrollieren, öffnet die Tür zu ungeahnten Manipulationen von Materialeigenschaften ‚per Knopfdruck‘“, sagt Pustogow.