Fast jeder kennt das Ph?nomen von Magneten am Kühlschrank, die nach einiger Zeit ihre Magnetisierung verlieren und einfach herunterfallen. Dass die ?Haftkraft“ der Magneten wiederhergestellt werden kann, indem man den Magneten in die N?he eines weiteren, noch magnetisierten Magneten bringt, ist eines der ersten Dinge, die Schülerinnen und Schülern über Magnetismus beigebracht wird und ein Alltagsbeispiel für das Verhalten solcher ferromagnetischer Materialien in einem Magnetfeld. Zu diesem sogenannten Hysterese-Verhalten geh?rt auch, dass man die Magnetisierung des ferromagnetischen Materials auch ?umkehren“ kann, wenn man die Richtung des angelegten Magnetfelds ?ndert. Dieser Vorgang ist eine der wichtigsten technologischen Anwendungen magnetischer Materialien von magnetischen Speichermedien bis hin zu Schaltelementen der Mikroelektronik.

Bei dieser Magnetisierungsumkehr gibt es einen Punkt, an dem die Magnetisierung Null wird, bevor sie die Richtung wechselt. Dieser Zustand wird üblicherweise durch das Auftreten makro- oder mikroskopischer Bereiche des magnetischen Materials, sogenannte magnetische Dom?nen, beschrieben, deren Magnetisierungen in unterschiedliche Richtungen zeigen, sodass sie sich gegenseitig aufheben und die Gesamtmagnetisierung verschwindet.

In ihrem kürzlich in der Fachzeitschrift "Nature Communications" erschienenen Artikel "Magnetization reversal through an antiferromagnetic state" konnte eine Gruppe Augsburger Physiker unter Federführung von Dr. Somnath Ghara und Dr. Joachim Deisenhofer (beide Arbeitsgruppe von Prof. Istvan Kezsmarki) zusammen mit Kollegen aus Groningen zeigen, dass dieses Standardbild der Magnetisierungsumkehr mittels der Kompensation von Dom?nen auf makro- oder mikroskopischer Skala nicht für alle Materialen zutrifft und erweitert werden muss. Die Forscher kombinierten Messungen der Magnetisierung, der elektrischen Polarisation, der optischen Eigenschaften im THz-Frequenzbereich und theoretische Simulationen und fanden heraus, dass die Magnetisierungsumkehr in dem polaren Magneten (Fe:Zn)₂Mo₃O₈ durch einen antiferromagnetischen Zustand geschieht, d.h. einen Zustand, in dem die Kompensation der Magnetisierung nicht nur auf makro- oder mikroskopischer Skala, sondern auf atomarer Ebene abl?uft. Diese Quantenmaterialien stehen auch im Zentrum des neuen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligten Transregio-Sonderforschungsbereiches TRR360 unter Federführung der Universit?t Augsburg und der Technischen Universit?t München.

Diese Entdeckung ist nicht nur bemerkenswert seitens der Grundlagenforschung im Bereich der Magnetisierungsph?nomene, sondern er?ffnet neue Perspektiven im Bereich der Kontrolle der Magnetisierung auf kleinsten Skalen und bietet somit ein gro?es Potential zur Entwicklung von wesentlich kleineren elektronischen Bausteinen für die Elektronik der Zukunft. Die Tatsache, dass die charakteristischen optischen Anregungen des Materials im THz-Frequenzbereich liegen, er?ffnet zus?tzliche M?glichkeiten extrem schneller Schaltprozesse im Bereich der Spintronik.

Originalpublikation:
Ghara, S., Barts, E., Vasin, K. et al. Magnetization reversal through an antiferromagnetic state. Nat Commun 14, 5174 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40722-y

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