An der JGU entdeckter Altermagnetismus von Science als Breakthrough of the Year 2024 im Bereich der Physik gekürt
15.01.2025
Die Wissenschaft bringt fortlaufend bahnbrechende Ergebnisse hervor. Schließlich geht es in der Forschung gerade darum, die Grenzen des Wissens stetig zu erweitern. Die herausragendsten Entdeckungen eines Jahres kürt das renommierte Wissenschaftsmagazin Science jährlich als "Breakthrough of the Year". Im Bereich der Physik ist jetzt der Altermagnetismus, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) entdeckt haben, als Breakthrough of the Year 2024 ausgezeichnet worden. "Das ist eine einmalige Leistung und wir sind sehr stolz darauf, dass die JGU diese Anerkennung erhält", freut sich Prof. Dr. Jairo Sinova vom Institut für Physik der JGU, der dem Altermagnetismus gemeinsam mit seinem Team auf die Schliche gekommen ist.
Bislang waren sich Expertinnen und Experten einig, dass es nur zwei Arten von Magnetismus gibt, Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus. Ferromagnetismus ist bereits seit den alten Griechen bekannt, er kommt unter anderem bei Kühlschrankmagneten zum Tragen. Während die magnetischen Momente beim Ferromagnetismus alle in dieselbe Richtung zeigen, sind sie beim Antiferromagnetismus abwechselnd nach oben und nach ausgerichtet, was dafür sorgt, dass sich die magnetischen Momente nach außen hin ausgleichen.
Theoretische Vorhersage im Jahr 2019
Im Jahr 2019 entdeckten Forschende der JGU allerdings einen Effekt, der mit diesen beiden Arten von Magnetismus nicht zu erklären war: den verlustfreien Stromfluss in Antiferromagneten. Sie begründeten diesen über eine Anordnung der magnetischen Momente, die weder der ferromagnetischen noch der antiferromagnetischen entspricht – der Altermagnetismus war geboren. Altermagnete verbinden die Eigenschaften von Ferromagneten und Antiferromagneten. In ihnen sind die benachbarten magnetischen Momente also stets antiparallel zueinander ausgerichtet wie bei den Antiferromagneten, zudem gibt es einen spinpolarisierten Strom wie bei den Ferromagneten. "Über eine mathematische Betrachtung der Spin-Symmetrien konnten wir den Altermagnetismus theoretisch nachweisen", erläutert Sinova. "Der spinpolarisierte Strom wechselt je nach Stromrichtung, daher der Name 'alternating' aus dem Englischen für 'abwechselnd'." Das neue Forschungsfeld des Altermagnetismus ist zentraler Schwerpunkt in den Sonderforschungsbereichen SFB/TRR 173 "Spin+X – Der Spin in seiner kollektiven Umgebung" und SFB/TRR 288 "Elastisches Tuning und elastische Reaktion elektronischer Quantenphasen der Materie" (ELASTO-Q-MAT), an denen die JGU maßgeblich beteiligt ist und die beide 2024 verlängert wurden.
Experimenteller Nachweis 2024
Die Forschenden der JGU konnten die theoretische Vorhersage des Altermagnetismus 2024 auch experimentell belegen. "Unsere Kolleginnen und Kollegen aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Hans-Joachim Elmers konnten einen Effekt, der quasi als Signatur des Altermagnetismus gilt, am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY mithilfe eines eigens entwickelten Impuls-Elektronenmikroskops erstmalig messen", erläutert Sinova.
Ein wissenschaftlicher Durchbruch ist der Altermagnetismus als dritte Art des Magnetismus nicht nur hinsichtlich des neuen Wissens, das damit einhergeht, sondern auch mit Blick auf die praktische Anwendung: Speicherkapazität dürfte einen deutlichen Sprung nach oben machen, wenn statt DRAMs die magnetischen Momente von Elektronen für Datenspeicherung verwendet werden. Dabei ist von Vorteil, dass mindestens 200 Materialien bekannt sind, die Altermagnetismus aufweisen.