Rutheniumdioxid hat Physiker seit langem verwirrt. In seiner normalen, volumenmäßigen Form ist das Material eindeutig nicht-magnetisch — eine Frage, die durch Jahrzehnte von Experimenten geklärt wurde. Aber eine neue Studie der Rice University und der University of Minnesota zeigt, dass, wenn Rutheniumdioxid als ultradünner Film von nur wenigen Atomlagen Dicke hergestellt wird, etwas Unerwartetes passiert: Es wird magnetisch.
Nicht irgendeine Art von Magnetismus, sondern Altermagnetismus — eine kürzlich vorgeschlagene dritte Klasse von magnetischem Verhalten, die zwischen Ferromagnetismus (wo die Elektronenspins alle in die gleiche Richtung zeigen) und Antiferromagnetismus (wo sie sich aufheben) liegt. Altermagnetismus, erstmals 2019 theoretisiert und 2024 experimentell demonstriert, kombiniert Merkmale beider und ermöglicht potenziell Computer-Speicher, der kleiner, schneller und energieeffizienter ist als alles, was heute verfügbar ist.
Die Ergebnisse wurden am 27. August in Science Advances veröffentlicht und von Ming Yi, Assistenzprofessor für Physik an der Rice University, zusammen mit Bharat Jalan von der University of Minnesota und Milan Radovic vom Paul Scherrer Institut geleitet.
Das Team untersuchte die "Spin-Textur" von Rutheniumdioxid — die räumliche Anordnung der elektronischen Magnetmomente — mit einer Technik namens spinresolved winkelaufgelöste Photoemissions-Spektroskopie. Was sie fanden, war ein Muster, das mit Altermagnetismus übereinstimmte: ein unkonventioneller magnetischer Zustand, der zuvor in diesem Material nie beobachtet worden war.
Die Schlüsselzutat war Spannung. Wenn der ultradünne Rutheniumdioxid-Film unter Bedingungen gewachsen wurde, die sein atomares Gitter komprimierten oder dehnten, entwickelten die Elektronen des Materials Spinmuster, die für Altermagnetismus charakteristisch sind. Ohne diese Spannung zeigten die Spins keine magnetische Ordnung — was bestätigt, dass nicht nur die Dicke, sondern auch die Spannung den Übergang steuert.
"Die spannungsabhängige Natur legt nahe, dass wir Gitterspannung als Stimmknopf verwenden könnten, um Altermagnetismus zu erzeugen oder zu kontrollieren", sagte Yichen Zhang, Erstautor der Studie und kürzlicher Rice-Absolvent. "Dies könnte bei der Entwicklung von Spintronik und RAM-Architekturen der nächsten Generation extrem nützlich sein."
Das Ergebnis ist bedeutsam, weil Altermagnetismus, wenn er zuverlässig kontrolliert werden kann, eine Grundlage für Magnet-Speichertechnologien bieten könnte, die sowohl dichter als auch schneller als aktuelle Designs sind. Spintronik-Geräte — die sowohl den Elektronenspin als auch die elektrische Ladung zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen verwenden — könnten von Materialien profitieren, deren magnetische Eigenschaften präzise ein- und ausgeschaltet werden können.
Die Arbeit löst auch eine langjährige Debatte über den magnetischen Charakter von Rutheniumdioxid. Nach Jahren widersprüchlicher experimenteller Ergebnisse war die wissenschaftliche Gemeinschaft zu dem Konsens gelangt, dass die Volumenform nicht-magnetisch war. Diese neue Forschung zeigt, dass dimensionale Reduktion und Spannung die magnetische Identität eines Materials grundlegend verändern können — eine Lektion, die auch für andere Quantenmaterialien gelten könnte.
Die Forschung wurde vom US-Energieministerium, der EPiQS-Initiative der Gordon and Betty Moore Foundation und der Robert A. Welch Foundation finanziert.
