Ein neues Kapitel in der Magnetismus- und Wärmewissenschaft

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler die neu entdeckte Klasse altermagnetischer Materialien auf ihre thermischen Eigenschaften untersucht und Einblicke in die Besonderheit von Altermagneten für spinkaloritronische Anwendungen gewonnen.

Magnetismus ist ein altes und gut erforschtes Thema, das sich für viele Anwendungen wie Motoren und Transformatoren eignet. Es werden jedoch neue magnetische Materialien und Phänomene untersucht und entdeckt, darunter Altermagnete.

Altermagnete weisen eine einzigartige Mischung magnetischer Eigenschaften auf, die sie von herkömmlichen magnetischen Materialien wie Ferromagneten und Antiferromagneten unterscheiden. Diese Materialien weisen Eigenschaften auf, die sowohl bei Ferromagneten als auch bei Antiferromagneten beobachtet werden, was ihre Untersuchung verlockend macht.

Die aktuelle Forschung, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungerforscht die thermischen Eigenschaften von Altermagneten und wurde von Prof. Wanxiang Feng und Prof. Yugui Yao vom Beijing Institute of Technology geleitet.

Über ihre Motivation bei der Erforschung von Altermagneten sagte Prof. Feng gegenüber Phys.org: „Magnetismus ist ein altes und faszinierendes Thema in der Festkörperphysik. Bei der Erforschung nichtkollinearer Magnete in den letzten Jahrzehnten sind wir auf einen neuen Typ kollinearer Magnete gestoßen, der Altermagnet.

Prof. Yao fügte hinzu: „Mit ihrer dualen Natur, die sowohl Ferromagneten als auch Antiferromagneten ähnelt, faszinierten uns Altermagnete mit dem Potenzial für neuartige physikalische Effekte. Unsere Motivation entsprang dem Wunsch, die einzigartigen Eigenschaften dieser magnetischen Materialien zu verstehen und zu erschließen.“

Die Entstehung des Magnetismus

Magnetische Eigenschaften ergeben sich aus dem Verhalten von Atomen, insbesondere aus der Anordnung und Bewegung von Elektronen innerhalb eines Materials.

„In magnetischen Materialien ordnen sich die magnetischen Spinmomente aufgrund der Austauschwechselwirkung zwischen Atomen parallel oder antiparallel an und bilden die häufigsten Ferromagnete bzw. Antiferromagnete, die seit über einem Jahrhundert untersucht werden“, erklärte Prof. Feng.

Altermagnete widersetzen sich herkömmlichen Normen, indem sie eine duale Natur verkörpern – sie ähneln Antiferromagneten mit einer Nettomagnetisierung von Null und Ferromagneten mit nichtrelativistischer Spinaufspaltung.

In Altermagneten verbindet sich kollineare antiparallele magnetische Ordnung mit nichtrelativistischer Spinaufspaltung, was zu einer Nettomagnetisierung von Null führt, ähnlich wie bei Antiferromagneten und gleichzeitig ferromagnetischer Spindynamik.

Dieses einzigartige Verhalten ergibt sich aus dem komplizierten Zusammenspiel der Atome innerhalb der Kristallstruktur. Beispielsweise zeigt Rutheniumdioxid, das Gegenstand dieser Forschung ist, eine durch nichtmagnetische Sauerstoffatome induzierte Spin-Entartung, die räumliche und zeitliche Symmetrien durchbricht. Dies führt zu den einzigartigen magnetischen Eigenschaften des Materials.

Darüber hinaus weisen Altermagnete eine einzigartige Spinpolarisation auf. Der Begriff „Spinpolarisation“ bedeutet, dass ein Großteil der Elektronenspins dazu neigt, sich in eine bestimmte Richtung auszurichten.

Die Spinpolarisation ist bei Altermagneten bemerkenswert, da sie in der physikalischen Anordnung von Atomen (realer Raum) und im Impulsraum auftritt, wo die Verteilung der Elektronenspins im Material berücksichtigt wird.

Nernst- und Hall-Effekte

Die Forscher konzentrierten sich auf die Untersuchung der Entstehung von Kristall-Nernst- und Kristall-Thermal-Hall-Effekten in Rubidiumdioxid (RuO2), das als Musterbeispiel für Altermagnetismus ausgewählt wurde.

Der bei Altermagneten beobachtete Kristall-Nernst-Effekt (CNE) ist ein Ergebnis ihrer besonderen magnetischen Natur. Vereinfacht ausgedrückt: Da das Material über seine Abmessungen hinweg einem Temperaturunterschied ausgesetzt ist, entsteht eine Spannung senkrecht zum Temperaturgradienten und zum Magnetfeld. Dieses Phänomen zeigt, dass die magnetischen Eigenschaften des Materials seine Reaktion auf Temperaturänderungen beeinflussen, und liefert Einblicke in den komplexen Zusammenhang zwischen thermischem und magnetischem Verhalten in Altermagneten.

Bei Altermagneten wird dieser Effekt maßgeblich von der Richtung des Néel-Vektors beeinflusst, der die Richtung darstellt, in der sich benachbarte magnetische Momente ausrichten. Dies verleiht der thermischen Reaktion eine zusätzliche Komplexitätsebene.

In ähnlicher Weise gibt der kristallthermische Hall-Effekt (CTHE) Aufschluss darüber, wie sich Wärme in Altermagneten bewegt. Wie der traditionelle thermische Hall-Effekt tritt er senkrecht zum Temperaturgradienten und zum Magnetfeld auf. Bei Altermagneten weist der CTHE erhebliche Schwankungen in Abhängigkeit von der Néel-Vektorrichtung auf. Diese Anisotropie ist ein zentraler Faktor für das Verständnis des thermischen Transportverhaltens altermagnetischer Materialien.

Thermische Eigenschaften von RuO2

Die Forschungsmethodik nutzte eine duale Strategie, die Symmetrieanalyse und modernste First-Principles-Berechnungen kombinierte, um die Wärmetransporteigenschaften von RuO2 zu entschlüsseln. Die Symmetrieanalyse spielte eine entscheidende Rolle bei der Aufklärung der grundlegenden Gründe für die Entstehung des Altermagnetismus.

Durch zwei Symmetrieoperationen, die räumliche Inversion, Zeitumkehr und Gitterverschiebung umfassen, zeigte die Studie das komplexe Zusammenspiel von Atomen innerhalb der Kristallstruktur und demonstrierte, wie nichtmagnetische Sauerstoffatome eine nichtrelativistische Spinaufspaltung in Energiebändern induzierten.

Dieser Prozess führte zum Bruch der kristallinen Zeitumkehrsymmetrie, was zu ausgeprägten thermischen Transporteigenschaften des Kristalls führte.

„Durch eine detaillierte Analyse haben wir drei physikalische Mechanismen identifiziert, die zum thermischen Kristalltransport beitragen: Weyl-Pseudoknotenlinien, altermagnetische Pseudoknotenebenen und altermagnetische Leiterübergänge“, sagte Prof. Yao.

Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei den Weyl-Pseudoknotenlinien um Pfade, die Wärme innerhalb des Materials leiten, altermagnetische Pseudoknotenebenen können als bestimmte Zonen dargestellt werden, die den Wärmefluss beeinflussen, und altermagnetische Leiterübergänge können als die Art und Weise angesehen werden, wie das Material eine Wärme hochsteigt Leiter.

Diese Erkenntnisse sind spannend, da sie eine wichtige Rolle bei der Wärmeübertragung in Altermagneten spielen.

Die Forscher entdeckten in RuO2 ein erweitertes Wiedemann-Franz-Gesetz, das die ungewöhnlichen thermischen und elektrischen Transporteigenschaften des Materials miteinander verbindet. Entgegen den herkömmlichen Erwartungen wirkt dieses erweiterte Gesetz über einen größeren Temperaturbereich, der über 150 Kelvin hinausgeht.

Spinkaloritronik

Die Forscher glauben, dass Altermagnete eine zentrale Rolle in der Spinkaloritronik spielen könnten, einem Forschungsgebiet, das das Zusammenspiel von Spin und Wärmefluss erforscht, das mit Ferromagneten oder Antiferromagneten nicht erreichbar ist. Dieses Gebiet bietet potenzielle Anwendungen bei der Entwicklung neuer Technologien für die Informationsverarbeitung und -speicherung.

„Altermagnetische Materialien mit kollinearer antiparalleler magnetischer Ordnung weisen im Vergleich zu ferromagnetischen Materialien eine schnellere Spindynamik und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Streufeldern auf. Dies macht sie vielversprechend für die Erzielung einer höheren Speicherdichte und schnellerer Spin-kaloritronischer Geräte“, erklärte Prof. Feng.

Die Forscher wollen in Zukunft auch den thermischen Transport von Kristallen höherer Ordnung und magnetooptische Effekte untersuchen.

Hierzu sagte Prof. Yao: „Wir sind neugierig auf die Unterschiede im thermischen Kristalltransport höherer Ordnung und bei magnetooptischen Effekten höherer Ordnung in Altermagneten im Vergleich zu Antiferromagneten oder Ferromagneten. Wir befinden uns in einem frühen Stadium dieser Technologie und.“ Es liegt noch ein langer Weg vor uns, bis es praktisch realisierbar wird.

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