Magnetische Spins, die beim Erhitzen „einfrieren“.

Physiker beobachteten ein seltsames neues Verhalten in einem magnetischen Material, wenn es erhitzt wird. Die Magnetspins „frieren“ bei steigender Temperatur zu einem statischen Muster ein, ein Phänomen, das normalerweise auftritt, wenn die Temperatur sinkt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Naturphysik am 4. Juli.

Die Forscher entdeckten das Phänomen im Material Neodym, einem Element, das sie vor einigen Jahren als „selbstinduziertes Spinglas“ bezeichneten. Spingläser sind typischerweise Legierungen, bei denen beispielsweise Eisenatome zufällig in ein Gitter aus Kupferatomen gemischt werden. Jedes Eisenatom verhält sich wie ein kleiner Magnet oder ein Spin. Diese zufällig platzierten Spins zeigen in alle möglichen Richtungen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Spingläsern, bei denen magnetische Materialien zufällig gemischt werden, ist Neodym ein Element und zeigt ohne nennenswerte Mengen anderer Materialien in seiner kristallinen Form ein glasartiges Verhalten. Die Spins bilden Muster, die wie eine Spirale wirbeln, und dieses Wirbeln ist zufällig und ändert sich ständig.

Festes Muster beim Erhitzen

In dieser neuen Studie entdeckten die Forscher, dass beim Erhitzen von Neodym von -268 °C auf -265 °C die Spins bei der höheren Temperatur zu einem festen Muster „einfrieren“, das eine Art Magnet bildet. Beim Abkühlen des Materials kamen die zufälligen wirbelnden Helixmuster zurück. „Dieses ‚Einfrieren‘ des Musters tritt normalerweise in magnetischem Material nicht auf“, sagt Alexander Khajetoorians, Professor für Rastersondenmikroskopie an der Radboud University.

Temperatur erhöht die Energie in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas. Dasselbe gilt für einen Magneten: Je höher die Temperatur, desto mehr fangen Spins an zu wackeln. „Das magnetische Verhalten in Neodym, das wir beobachtet haben, ist eigentlich das Gegenteil von dem, was ‚normalerweise‘ passiert. Es ist ziemlich kontraintuitiv, wie Wasser, das zu einem Eiswürfel wird, wenn es erhitzt wird“, sagt Khajetoorians.

Solche Phänomene findet man in der Natur nicht oft. Es sind nur sehr wenige Materialien bekannt, die sich falsch verhalten. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist das Rochelle-Salz, bei dem sich Ladungen bei höheren Temperaturen aufbauen und ein geordnetes Muster bilden, während sie bei niedrigeren Temperaturen zufällig verteilt sind.

Wie es funktioniert

Die komplexe theoretische Beschreibung von Spingläsern war Gegenstand des Nobelpreises für Physik, der 2021 an Parisi verliehen wurde. Die Funktionsweise dieser Spingläser herauszufinden, ist auch für andere Wissenschaftsbereiche von Bedeutung. „Wenn wir letztendlich modellieren können, wie sich diese Materialien verhalten, könnte dies auch auf das Verhalten einer Vielzahl anderer Materialien extrapoliert werden.“

Das zugrunde liegende seltsame Verhalten wurde mit dem Konzept der Entartung in Verbindung gebracht: Wenn viele verschiedene Zustände die gleiche Energie haben und das System frustriert wird. Die Wirkung der Temperatur besteht darin, dieses Dilemma zu durchbrechen: Bestimmte Zustände überleben und ermöglichen es dem System, sich klar in einem Muster niederzulassen. Möglicherweise können wir dieses Verhalten auch für neue Arten der Informationsspeicherung oder für Rechenkonzepte wie z. B. Brain-Like Computing nutzen.