Nieuw type magnetisme ontdekt

De mensheid kwam duizenden jaren geleden voor het eerst in aanraking met magnetisme: De vreemde krachten die uitgaan van ferromagnetisch magnetiet werden opgemerkt door geleerden in onder andere het huidige China en Griekenland. Sindsdien hebben natuurkundigen uitgebreid onderzoek gedaan naar de mechanismen achter magnetische materialen - en toch deed een team onder leiding van vastestoffysicus Libor Šmejkal van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz in 2020 een verbazingwekkende ontdekking: Het observeerde een vreemd gedrag van elektronen dat alleen verklaard kon worden door een nieuwe, voorheen onbekende vorm van magnetisme. Of dergelijk "alter magnetisme" echt bestaat, bleef aanvankelijk een open vraag. Maar drie onderzoeksgroepen hebben onafhankelijk van elkaar in laboratoriumexperimenten bewezen dat alter magnetisme echt bestaat. En dat niet alleen: het zou wel eens heel nuttig kunnen blijken te zijn in de praktijk.

Wat vroeger een magische kracht leek, wordt nu volledig begrepen. Magneten zijn kristallijne vaste stoffen die bestaan uit atomen die in regelmatige roosters zijn gerangschikt. Deze atomen hebben een soort intrinsiek impulsmoment, een "spin", die in verschillende richtingen kan wijzen. Als de atoomspins in een kristal allemaal in dezelfde richting wijzen, is het een ferromagneet, zoals magnetiet, dat al in de oudheid werd waargenomen. In andere materialen lopen de spins echter zo wild door elkaar dat ze geen herkenbare structuur volgen - zulke materialen worden als niet-magnetisch beschouwd. In 1930 ontdekte de natuurkundige Louis Néel een tweede vorm van magnetisme in zogenaamde antiferromagneten. Hoewel ze geen extern magnetisch veld opwekken, zijn de spins binnenin georganiseerd: Ze wijzen afwisselend in verschillende richtingen. Als de spin van één atoom naar het noorden wijst, wijzen de spins van de naburige atomen naar het zuiden. Dit betekent dat de magnetische momenten van de deeltjes elkaar opheffen. Antiferromagneten komen in de natuur veel vaker voor dan ferromagneten.

Lang vergeten vorm van magnetisme

Het blijkt dat zelfs experts decennialang een derde vorm van magnetisme over het hoofd hebben gezien. "Altermagneten combineren virtueel de eigenschappen van ferromagneten en antiferromagneten," zegt vastestoffysicus Hans-Joachim Elmers van de Johannes Gutenberg Universiteit in Mainz, die betrokken was bij de ontdekking van altermagneten. Aan de buitenkant genereren deze materialen, net als antiferromagneten, geen magnetisch veld. Ze bezitten echter eigenschappen die eigenlijk zijn voorbehouden aan ferromagneten.

Smejkal en zijn team ontdekten dit toen ze het zogenaamde Hall-experiment uitvoerden, waarbij wordt onderzocht hoe een magnetisch veld de stroom door een geleider beïnvloedt. Het is al sinds de 19e eeuw bekend dat hierdoor een Lorentzkracht ontstaat die de stroom van zijn pad afbuigt. Maar, zoals de natuurkundige Edwin Hall erkende, deze afbuiging kan ook worden waargenomen als de geleider zelf magnetisch is - in dat geval is er geen extern magnetisch veld nodig. Dit fenomeen staat bekend als het "anomale Hall-effect".

Šmejkal en zijn collega's namen in 2020 het afwijkende Hall-effect waar in rutheniumoxide, een antiferromagnetische stof. "Dit was zeer verrassend, omdat eerder werd aangenomen dat het Hall-effect werd gecompenseerd door deze tegengestelde magnetische momenten," zei Šmejkal in een persbericht uit 2020. Blijkbaar zijn niet alle materialen die eerder werden geclassificeerd als antiferromagneten hetzelfde. Daaronder schuilen stoffen die blijkbaar tot een andere vorm van magnetisme behoren, bekend als altermagnetisme.

In de jaren daarna realiseerden onderzoekers zich dat veel materialen die geclassificeerd waren als antiferromagneten in feite verouderingsmagnetisch konden zijn. "Experts realiseerden zich dat verouderingsmagneten weliswaar enkele van hun belangrijkste eigenschappen delen met antiferromagneten, maar dat ze nog meer gemeen hebben met ferromagneten," schreef natuurkundige Igor Mazin van de George Mason University in Fairfax in een artikel gepubliceerd door de American Physical Society. Naast het afwijkende Hall-effect vertonen oude magneten andere elektronische eigenschappen die anders alleen in ferromagneten voorkomen. Maar net als bij antiferromagneten zijn hun atoomspins in tegengestelde richting uitgelijnd.

Een nadere beschouwing onthult echter een extra ordening die antiferromagneten niet hebben: In alter-magneten hebben alle elektronen die in dezelfde richting bewegen een gelijk uitgelijnde spin. "Dit ordeningsfenomeen heeft niets te maken met de ruimtelijke ordening - d.w.z. de locatie van de elektronen - maar alleen met de richtingen van de elektronensnelheden," zegt Elmers. Dit significante verschil betekent dat de materialen onverwachte eigenschappen hebben die eigenlijk zijn voorbehouden aan ferromagneten.

Experimenteel bewijs van alter magnetisme

De drie onderzoeksgroepen zijn erin geslaagd om de theoretische voorspellingen over verouderende magneten te bevestigen in experimenten - en daarmee het bestaan van een nieuwe vorm van magnetisme te bewijzen. De onderzoeksgroep onder leiding van Elmers bestraalde een dunne laag rutheniumdioxide met röntgenlicht in het Duitse elektronensynchrotron in Hamburg, waardoor de elektronen van het materiaal zodanig werden aangeslagen dat ze uit de laag werden geslagen en gedetecteerd. Hierdoor was het mogelijk om zowel de snelheid als de spinrichting van de deeltjes te bepalen. De resultaten suggereren dat rutheniumdioxide een altermagneet is zoals theoretisch voorspeld. De onderzoekers publiceerden de resultaten in "Science Advances" op 31 januari 2024.

Een ander onderzoeksteam onder leiding van Tomas Jungwirth van de Universiteit van Nottingham en een groep onder leiding van Chang Liu van de Southern University of Science and Technology in Shenzhen hebben mangaan telluride en mangaan ditelluride onderzocht. Volgens theoretische berekeningen zouden beide materialen ook oude magneten moeten zijn. Met behulp van hoekgeresolveerde foto-elektronenspectroscopie zijn beide groepen erin geslaagd om duidelijke leeftijdsmagnetische eigenschappen in beide materialen te detecteren. Ze publiceerden hun resultaten op 14 februari 2024 in het wetenschappelijke tijdschrift "Nature". "De twee groepen gebruikten verschillende experimentele benaderingen en analysemethoden en konden licht werpen op de complexe magnetische structuren van deze materialen," schrijft natuurkundige Carmine Autieri van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau, die niet bij het werk betrokken was, in een begeleidend artikel.

De nieuw ontdekte vorm van alter magnetisme zou een breed scala aan technologische toepassingen mogelijk kunnen maken. Vooral op het gebied van spintronica, waarbij signalen worden getransporteerd door de spins van deeltjes in plaats van door de lading, zouden altermagneten nuttig kunnen zijn. "Ferromagneten kunnen verdwaalde magnetische velden veroorzaken die de prestaties van het materiaal beïnvloeden, maar deze velden treden niet op bij antiferromagneten," schrijft Autieri. Met antiferromagneten kunnen ferromagnetische eigenschappen dus worden gebruikt zonder storende magneetvelden op te wekken. Bovendien zouden oude magneten componenten met hogere klokfrequenties dan voorheen mogelijk kunnen maken. "Deze nieuw opkomende concepten zullen waarschijnlijk binnenkort niet meer weg te denken zijn uit natuurkundeleerboeken," zegt Autieri.

Spectrum van de wetenschap

Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen gefundeerde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt