Nichtlineares Verhalten von „Kagome Spineis“
Entdeckung für künftige Technologien zur Informationsverarbeitung von Bedeutung
Ein internationales Physikerteam unter Leitung der Universität Augsburg hat den Ordnungsübergang im magnetischen Material „Kagome Spineis“ geklärt. Die Forschenden konnten zeigen, dass eine spezielle Messgröße, die nichtlineare magnetische Suszeptibilität, einen fundamentalen Symmetriebruch im Material sichtbar macht. Die Entdeckung liefert neue Erkenntnisse über das Verhalten sogenannter frustrierter Magnete. Louis Néel gilt als der Entdecker des Antiferromagnetismus. Er wies eine Ordnung nach, in der die magnetischen Momente so angeordnet sind, dass kein Gesamtmoment und damit keine Magnetisierung auftritt. In seiner Nobelpreisrede im Jahr 1970 sagte Néel, dass dies zwar aus theoretischer Sicht sehr interessant sei, es dafür aber kein Anwendungspotenzial gäbe. Kagome Spineis war lange ein rein theoretisches Konzept für exotischen Antiferromagnetismus mit einer Vielzahl magnetischer Übergänge und Anregungen. Im Jahr 2020 wurde Kagome Spineis als spezielles magnetisches Material erstmals experimentell nachgewiesen. Dies gelang Dr. Kan Zhao und Prof. Philipp Gegenwart vom Institut für Physik der Universität Augsburg in der Verbindung HoAgGe – einem intermetallischen Festkörper aus dem Seltenerd-Element Holmium (Ho), dem Edelmetall Silber (Ag) und dem Halbmetall Germanium (Ge). Abbildung 1 zeigt die sechs möglichen Anordnungen der magnetischen Momente in der antiferromagnetischen Ordnung von HoAgGe. Jedes dieser Muster hat einen gegenüber gezeigten Partnerzustand, bei dem alle magnetischen Momente genau umgekehrt ausgerichtet sind. Die nichtlineare magnetischen Suszeptibilität erlaubt, die Muster von ihren Partnern zu unterscheiden. Mithilfe eines angelegten Magnetfelds können in der Abbildung mit rot und schwarz zugeordnete Muster präpariert werden. Somit erlauben die Messungen, Zustände zu schreiben und auszulesen. Mithilfe der Analyse gestreuter polarisierter Neutronen und theoretischen Simulationen konnte zudem der Ordnungsübergang in den Grundzustand identifiziert werden, als dreidimensional vom sogenannten XY Typ. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkungen zwischen den Momenten entlang aller drei Raumrichtungen beim Abkühlen in den Grundzustand anwachsen, während die individuellen Schwankungen der Momente in den Kagome-Ebenen liegen. Bemerkenswert ist laut Prof. Dr. Philipp Gegenwart, dass HoAgGe somit das erste magnetische Material ist, welches dieses universelle kritische Verhalten zeigt, das auch am suprafluiden Übergang von Helium auftritt. „Diese Entdeckung befördert unser generelles Verständnis komplexer magnetischer Ordnungsphänomene“, sagt Prof. Dr. Philipp Gegenwart. >> Die Veröffentlichung: Kan Zhao; Hao Deng; Hua Chen; Nvsen Ma; Noah Oefele; Jiesen Guo; Xueling Cui; Chen Tang; Matthias J. Gutmann; Thomas Mueller; Yixi Su; Vladimir Hutanu; Changqing Jin; Philipp Gegenwart: Three-dimensional XY Universality and Nonlinear magnetic susceptibility in a kagome ice compound, Phys. Rev. X 16, 021043 (2026) https://link.aps.org/doi/10.1103/xl5f-zj9p >> Zur Studie “Hall-effect uncovers hidden symmetry in spin-ice” von 2024 (siehe https://www.uni-augsburg.de/de/campusleben/neuigkeiten/2024/02/06/hall-effekt-enthullt-verborgene-symmetrie-in-spin-eis/) >> Zur „Kagome-Spin-Eis“-Studie von 2020 (siehe https://www.uni-augsburg.de/de/campusleben/neuigkeiten/2020/03/17/1749/) ad
Mittlerweile hat die Entdeckung und Untersuchung neuer Funktionalitäten in Antiferromagneten ein eigenes Forschungsfeld, die sogenannte antiferromagnetische Spintronik, eröffnet. Dieses erforscht das Verständnis und die Kontrolle der Dynamik antiferromagnetischer Momente und den Spintransport solch konzeptionell neuer magnetischer Bauelemente.
In ihrer neuesten Forschungsarbeit, publiziert in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft, konnten die beiden Wissenschaftler die Natur des Übergangs in die exotische antiferromagnetische Ordnung in HoAgGe identifizieren, also klären, wie das Material genau in seinen antiferromagnetischen Zustand übergeht. Sie entdeckten dabei, dass eine spezielle magnetische Messgröße, die nichtlineare magnetische Suszeptibilität, einen grundlegenden Symmetriebruch sichtbar macht.Nichtlineare magnetische Suszeptibilität
Da dieses Verhalten nicht nur für HoAgGe, sondern grundsätzlich für Kagome Spineis mit derselben Grundzustandsstruktur erwartet wird, eröffnen die Ergebnisse neue Perspektiven für die Nutzung solcher Materialien in zukünftigen Informations- und Speichertechnologien.Dreidimensionale XY-Universalität
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