Magnete sind in unserem Alltag allgegenwärtig. Vom Kühlschrankmagneten über Magnetfelder in Elektromotoren bis hin zu dem Geodynamo unseres Planeten. Nahezu alle dieser Magneten haben eines gemeinsam: Sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Forscher der New York University haben nun allerdings eine neue, ungewöhnliche Art des Magnetismus entdeckt, der von diesem Prinzip abweicht.


Bild: Lin Miao/ New York University

Eine andere Art von Magnetismus

Nahezu alle Magnete folgen dem gleichen Prinzip: Die Spins ihrer Atome zeigen alle in die gleiche Richtung, wodurch ein magnetisches Feld entsteht. Nichtmagnetische Materialien dagegen haben Atome mit ungerichtetem Spin. Durch gezielte Spin-Manipulationen können zukünftig die Magneteigenschaften von Atomen genutzt werden, um neuartige, winzige Datenspeicher herzustellen.

Die Art von Magnetismus, die ein Team rund um Lin Miao von der New York University entdeckt hat, unterscheidet sich von nahezu allen anderen Magneten. In der Uran Antimon-Verbindung Usb2 haben die Atome ungerichtete Spins, die sich gegenseitig aufheben. Unter bestimmten Bedingungen aber zeigt das Material unerwartete Quantenreaktionen. „ Dieses Material gibt uns schon seit Jahrzehnten Rätsel auf. Denn die Art, wie Magnetismus und Elektrizität im Inneren wechselwirken, erscheinen bizarr„, so Miao.


Die Forscher vermuten, dass im Inneren der Uranverbindung eine Theorie in die Praxis umgesetzt wird, die bereits vor etwa 50 Jahren aufgestellt wurde: Auch in einem nichtmagnetischen Material kann vorübergehend ein magnetisches Moment entstehen, das von sogenannten Spin Excitonen gebildet wird, so die Theorie. Bei den Excitonen handelt es sich um kurzlebige Quasiteilchen, die aus der Interaktion von Elektronen entstehen.

Excitonen-Felder-Theorie bestätigt?

Für gewöhnlich verschwinden diese Spin Excitonen jedoch nach kurzer Zeit wieder. „ Wenn man aber sehr viele von ihnen hat, besagt die Theorie, dass sie sich gegenseitig stabilisieren können und dann das Auftauchen von noch mehr Spin Excitonen katalysieren – wie eine Art Kaskade„, so Andrew Wray, der an der Studie beteiligt war. Allerdings konnten Forscher bisher nur Indizien dafür finden, dass derartige Excitonen-Felder tatsächlich in Materialien entstehen können – und zwar bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen.

Bei Usb2 scheint das anders zu sein, wie Miaos Team mittels Röntgenstreuung, Neutronenstreuung und begleitenden Modellierungen belegen konnten. In der Verbindung treten magnetische Excitonen-Felder auch bei deutlich höheren Temperaturen auf. „ Unsere Ergebnisse und theoretischen Analysen enthüllen, dass die anomalen Eigenschaften dieses Materials darauf zurückgehen, dass es sich hier um die erste bekannte Hochtemperatur-Realisation eines Singlet-Grundzustands-Magneten handelt. n diesem wird der Magnetismus durch einen Prozess erzeugt, der der Excitonen-Kondensation gleicht„, so die Forscher.

Praktische Bedeutung: Verbesserte Magnetspeicher

Die Entdeckung würde nicht nur die Theorie der Singlet-Magneten beweisen, sondern hätte auch praktischen Nutzen. „ Es wird heute viel an Magnetismus geforscht, um die Datenspeicher-Technologie zu verbessern„, so Wray. Die Singlet-basierten Magneten haben dabei die Eigenschaft, dass sie deutlich abrupter zwischen nichtmagnetischen und stark magnetischen Zuständen zeigen, was in der Computertechnik von Vorteil sein kann.

Außerdem reagieren derartige Magneten anders auf elektrischen Strom. „ Elektronen, die in das Material fließen, interagieren sehr stark mit den instabilen magnetischen Momenten statt einfach hindurchzuströmen. Das könnte eine bessere Kontrolle der magnetisch gespeicherten Information gewährleisten.

via New York University

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