Wissenschaftler nutzen Licht, um magnetische Domänen in Quantenmaterialien sichtbar zu machen

Wenn uns etwas wie ein Magnet anzieht, schauen wir genauer hin. Wenn Magnete Physiker anziehen, werfen sie einen Quantenblick. Wissenschaftlern der Osaka Metropolitan University und der Universität Tokio ist es gelungen, mit Licht winzige magnetische Regionen, sogenannte magnetische Domänen, in einem speziellen Quantenmaterial sichtbar zu machen. Ihr Studium war veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Darüber hinaus gelang es ihnen, diese Regionen durch die Anwendung eines elektrischen Feldes erfolgreich zu manipulieren. Ihre Ergebnisse bieten neue Einblicke in das komplexe Verhalten magnetischer Materialien auf Quantenebene und ebnen den Weg für zukünftige technologische Fortschritte.

Die meisten von uns kennen Magnete, die an Metalloberflächen haften. Aber was ist mit denen, die das nicht tun? Dazu gehören Antiferromagnete, die weltweit zu einem Schwerpunkt von Technologieentwicklern geworden sind.

Antiferromagnete sind magnetische Materialien, in denen magnetische Kräfte oder Spins in entgegengesetzte Richtungen zeigen, sich gegenseitig aufheben und zu keinem Nettomagnetfeld führen. Folglich haben diese Materialien weder ausgeprägte Nord- und Südpole noch verhalten sie sich wie herkömmliche Ferromagnete.

Antiferromagnete, insbesondere solche mit quasi-eindimensionalen Quanteneigenschaften – das heißt, ihre magnetischen Eigenschaften sind hauptsächlich auf eindimensionale Atomketten beschränkt – gelten als potenzielle Kandidaten für Elektronik- und Speichergeräte der nächsten Generation.

Die Besonderheit antiferromagnetischer Materialien liegt jedoch nicht nur in ihrer mangelnden Anziehungskraft auf metallische Oberflächen, und die Untersuchung dieser vielversprechenden, aber anspruchsvollen Materialien ist keine leichte Aufgabe.

„Die Beobachtung magnetischer Domänen in quasi-eindimensionalen quantenantiferromagnetischen Materialien war aufgrund ihrer niedrigen magnetischen Übergangstemperaturen und kleinen magnetischen Momente schwierig“, sagte Kenta Kimura, außerordentliche Professorin an der Osaka Metropolitan University und Hauptautorin der Studie.

Magnetische Domänen sind kleine Bereiche innerhalb magnetischer Materialien, in denen sich die Spins der Atome in die gleiche Richtung ausrichten. Die Grenzen zwischen diesen Domänen werden Domänenwände genannt.

Da sich traditionelle Beobachtungsmethoden als unwirksam erwiesen, warf das Forscherteam einen kreativen Blick auf den quasi-eindimensionalen Quantenantiferromagneten BaCu2Si2O7. Sie machten sich den nichtreziproken Richtungsdichroismus zunutze – ein Phänomen, bei dem sich die Lichtabsorption eines Materials bei der Umkehr der Lichtrichtung oder seiner magnetischen Momente ändert.

Dies ermöglichte es ihnen, magnetische Domänen innerhalb von BaCu2Si2O7 sichtbar zu machen und zeigte, dass entgegengesetzte Domänen innerhalb eines Einkristalls koexistieren und dass ihre Domänenwände hauptsächlich entlang spezifischer Atomketten oder Spinketten ausgerichtet sind.

„Sehen ist Glauben und Verstehen beginnt mit direkter Beobachtung“, sagte Kimura. „Ich bin begeistert, dass wir die magnetischen Domänen dieser Quantenantiferromagnete mit einem einfachen optischen Mikroskop sichtbar machen konnten.“

Das Team zeigte außerdem, dass diese Domänenwände mithilfe eines elektrischen Feldes bewegt werden können, und zwar dank eines Phänomens namens magnetoelektrische Kopplung, bei dem magnetische und elektrische Eigenschaften miteinander verbunden sind. Selbst bei Bewegung behielten die Domänenwände ihre ursprüngliche Richtung bei.

„Diese Methode der optischen Mikroskopie ist unkompliziert und schnell und ermöglicht möglicherweise in Zukunft die Visualisierung sich bewegender Domänenwände in Echtzeit“, sagte Kimura.

Diese Studie markiert einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis und der Manipulation von Quantenmaterialien, eröffnet neue Möglichkeiten für technologische Anwendungen und erkundet neue Grenzen der Physik, die zur Entwicklung zukünftiger Quantengeräte und -materialien führen könnten.

„Die Anwendung dieser Beobachtungsmethode auf verschiedene quasi-eindimensionale Quantenantiferromagnete könnte neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich Quantenfluktuationen auf die Bildung und Bewegung magnetischer Domänen auswirken, was beim Entwurf von Elektronik der nächsten Generation unter Verwendung antiferromagnetischer Materialien hilfreich sein könnte“, sagte Kimura.