Physiker der JGU entdeckt Hall-Effekt in einem Antiferromagneten, was gängigen Theorien zufolge unmöglich ist
23.10.2020
Mitunter rufen Kombinationen verschiedener Dinge Effekte hervor, mit denen niemand rechnet, etwa wenn gänzlich neue Eigenschaften auftauchen, die die beiden kombinierten Teile einzeln nicht haben. Eine solche unerwartete Eigenschaft fand Dr. Libor Šmejkal von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Er kombinierte antiferromagnetische Stoffe mit unmagnetischen Atomen und stellte fest, dass entgegen der Lehrmeinung ein Hall-Strom auftritt, was einzeln weder bei antiferromagnetischen noch bei unmagnetischen Stoffen der Fall ist.
Dies könnte vollkommen neue Potenziale für die Nanoelektronik bieten. Denn zum einen treten diese Materialkombinationen in der Natur sehr häufig auf. Daher hat die Entdeckung das Potenzial, die wachsende Nachfrage in der konventionellen Magnetelektronik nach seltenen schweren Elementen umzukehren und stattdessen die Forschung und Anwendungen auf reichlich vorhandene Materialien zu lenken. Der Hall-Strom weist zudem eine geringe Energiedissipation auf. Dies ist insbesondere wichtig vor dem Hintergrund, dass die Informationstechnologien zum größten Energieverbraucher bei den Industrien werden. Da die Materialien nach außen hin kein Magnetfeld aufweisen, also magnetisch unsichtbar sind, können sie sehr dicht gepackt werden und erlauben einen hohen Miniaturisierungsgrad von Nanoelektronik. Auch hinsichtlich der Geschwindigkeit punkten diese zuvor übersehenen Materialien: Sie ist um ein Vielfaches größer als bei den Ferromagneten, die Frequenzen könnten daher vom Gigahertz-Bereich in den Terahertz-Bereich verschoben werden. Kurzum: Die Entdeckung hat besondere Relevanz im schnell wachsenden neuen Gebiet der antiferromagnetischen Magnetoelektronik, der Spintronik. Die Forschungsergebnisse sind in Science Advances veröffentlicht.
Was ist der Hall-Strom?
Um Šmejkals Forschungsarbeit zu verstehen, muss man zunächst beim Hall-Effekt – benannt nach dem US-amerikanischen Physiker Prof. Dr. Edwin Hall – anfangen: Legt man an herkömmliche nichtmagnetische Leiter wie Kupfer eine Spannung an, so fließt der Strom in die Richtung, die durch das elektrische Feld vorgegeben ist. Kommt jedoch ein externes Magnetfeld hinzu, biegt sich der Strom von der angelegten Richtung weg, es kommt also eine zusätzliche Querkomponente dazu, die als Hall-Strom bezeichnet wird. Der Hall-Effekt wurde zur Charakterisierung von Halbleitern verwendet, die die moderne Siliziumelektronik prägten. Halls zweite Entdeckung: Auch eine interne Magnetisierung eines ferromagnetischen Leiters wie Eisen kann zu einer solchen Querstromablenkung führen, was den Hall-Effekt auch zu einem der Eckpfeiler der Magnetoelektronik machte, einem breiten Feld, das von Sensor- bis zu Speichertechnologien reicht.
Die Entdeckung von Antiferromagneten, die in der Natur viel häufiger vorkommen als Ferromagneten, wird Prof. Dr. Louis Néel zugeschrieben. In diesen sind die magnetischen Momente der Atome entgegengesetzt ausgerichtet. Die Effekte, die in Ferromagneten beobachtet werden, heben sich daher gegenseitig auf – so auch der Hall-Strom. Die Antiferromagneten verhalten sich nach außen hin also wie die üblichen nichtmagnetischen Leiter und sind damit für die Magnetoelektronik nicht anwendbar.
Ungewöhnlicher Effekt: Hall-Strom in Antiferromagneten
Es ist seit Jahrzehnten bekannt, dass nichtmagnetische und antiferromagnetische Kristalle keine Hall-Ströme aufweisen. Dr. Libor Šmejkal fand einen Kristall mit einer faszinierenden Kombination von nichtmagnetischen und antiferromagnetischen Atomen, die einen starken Hall-Strom erzeugen. Bemerkenswerterweise sind Kristalle mit antiferromagnetischen und nichtmagnetischen Atomen keine Seltenheit in der Natur, sondern weit verbreitet.
"Um mit der konventionellen wissenschaftlichen Weisheit zu brechen, sind außergewöhnliche Talente und Fähigkeiten erforderlich", erläutert der Direktor der Forschungsgruppe, Prof. Dr. Jairo Sinova. "Dies ist auch bei Dr. Libor Šmejkal der Fall: Er ist ein außergewöhnliches Physik-Talent, das als frisch promovierter Absolvent bereits den Ruf einer international führenden Persönlichkeit auf seinem Gebiet genießt." Šmejkal hat seine Doktorarbeit vor einigen Monaten abgeschlossen, Vorträge auf internationalen Konferenzen gehalten und seine Arbeiten in hochrangigen Zeitschriften publiziert. Unmittelbar nach der Promotion übernahm er die Position eines unabhängigen Teamleiters in der Gruppe INSPIRE am Institut für Physik der JGU.