Weder magnetisch noch unmagnetisch: Erster EPS Europhysics Prize für tschechische Wissenschaftler
Die Wissenschaftler Tomáš Jungwirth und Libor Šmejkal erhalten als erste Tschechen den EPS Europhysics Prize. Ihre Entdeckung der Altermagnete eröffnet große Anwendungsmöglichkeiten, vor allem in der Elektronik.
Seit Jahrzehnten wird in der Schule traditionell gelehrt, dass Stoffe entweder magnetisch oder nichtmagnetisch sind. Erst um den Jahreswechsel 2021/2022 herum wurde jedoch bewiesen, dass es eine dritte Kategorie dazwischen gibt. Genau für die Entdeckung dieser neuen Klasse neben Ferro- und Antiferromagneten werden die tschechischen Wissenschaftler Tomáš Jungwirth und Libor Šmejkal an diesem Dienstag – zusammen mit ihrem spanisch-amerikanischen Kollegen Jairo Sinova – im österreichischen Graz mit dem renommierten EPS Europhysics Prize ausgezeichnet.
Stoffe, die diesen verborgenen, inneren Magnetismus besitzen, nannten sie Altermagnete. Tomáš Jungwirth vom Physikalischen Institut der Akademie der Wissenschaften beschreibt die bahnbrechende Entdeckung wie folgt:
„Altermagnete haften zwar nicht am Kühlschrank, aber wenn man elektrischen Strom durch sie leitet, transportieren sie die magnetische Information im Grunde genauso wie ein Ferromagnet.“
Wie sich herausstellte, lassen sich Daten auf diesen Materialien theoretisch tausendmal schneller speichern als auf heutigen Computerspeichern.
„Ich weiß natürlich nicht, ob unsere Mobiltelefone oder Computer am Ende tatsächlich tausendmal schneller sein werden, da dort noch viele andere Faktoren eine Rolle spielen. Aber die grundlegenden physikalischen Barrieren sind durch die Altermagnete beseitigt“, so Jungwirth.
Am Anfang stand der Wunsch zu beweisen, dass auch nichtmagnetische Stoffe, die in der Natur die Mehrheit bilden, eine Anwendung in der Elektronik finden können. Nach zehnjähriger Forschung entdeckten die Wissenschaftler bei einem dieser Stoffe einen inneren Magnetismus und entschlüsselten dessen spezifische Anordnung.
„Wir haben herausgefunden, dass es eine eindeutige Trennlinie gibt. Sie trennt Kristalle, die dieses Verhalten unmöglich aufweisen können, von jenen Kristallen, die dieses Verhalten zeigen.“
Aus Sicht des Magnetismus geht es darum, in welche Richtung sich die Elektronen in den Kristallen bewegen. Ferromagnete, Antiferromagnete und Altermagnete bilden drei unterschiedliche Klassen magnetischer Materialien. Sie unterscheiden sich durch die Anordnung und das Verhalten ihrer mikroskopischen magnetischen Momente, der sogenannten Spins.
Libor Šmejkal vom Physikalischen Institut erläutert dies anschaulich anhand einer Schwanen-Metapher: Bei ferromagnetischen Stoffen schwimmen alle weißen Schwäne in die gleiche Richtung. Bei klassischen nichtmagnetischen Stoffen hingegen wechseln sich die Richtungen der atomaren Magnetfelder ab, und es tut sich nach außen hin nichts, also weiße und schwarze Schwäne gleichen sich da quasi gegenseitig aus.
„Man kann sich das wie ein schwarz-weißes Schachbrett vorstellen, auf dem sich alles perfekt ausgleicht. Bei unserem dritten Magnettyp jedoch schwimmen diese Spins – oder wenn Sie so wollen, die Schwäne – in entgegensetzen Richtungen. Das bedeutet: Von außen sieht es so aus, als wäre überhaupt nichts da, aber im Inneren herrschen sehr starke Felder.“
Šmejkal ist Hauptautor der bahnbrechenden Studie. Er leitet mittlerweile eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut in Dresden. Zuvor hat er bereits an der Universität Mainz zusammen mit Jairo Sinova die Grundlagenforschung zu Altermagneten betrieben. Die Experten verglichen damals die Strukturen von tausend bekannten Kristallen – und das Ergebnis hat sie förmlich schockiert. Bisher hätten sie rund 200 Materialien gefunden, die genau in die dritte Kategorie passen, sagt der Forscher. Das gilt heute jedoch schon fast als Mindestwert, denn diese Erkenntnis hat vor zwei Jahren sofort die Aufmerksamkeit von Forschenden weltweit erregt.
„Viele Forschungsgruppen weltweit begannen, sich für dieses junge Fachgebiet zu interessieren, sodass die Anzahl dieser Materialien praktisch immer weiter zunimmt. Die Menschen sind begeistert, dass diese Werkstoffe die Schwachstellen von Antiferromagneten und Ferromagneten beseitigen. Gleichzeitig könnten sie völlig neue Möglichkeiten sowohl für die Grundlagenforschung als auch für potenzielle Anwendungen eröffnen.“
Und das vor allem im Bereich der Elektronik – aber keineswegs nur dort. Dass die Entdeckung der Altermagnete in der Welt der Physik von fundamentaler Bedeutung ist, bestätigt auch der sprunghafte Anstieg der Zitationszahlen. Allein in diesem Jahr verzeichnet das Team von Tomáš Jungwirth weit über 9000 Zitationen. Das bedeutet im Schnitt, dass sich jeden Tag etwa 35 Forschende weltweit auf ihre Arbeit beziehen. Der preisgekrönte Physiker reagiert darauf bescheiden:
„Das lässt sich wohl kaum bestreiten, gegen diese Zahlen kann man nichts einwenden – sie sprechen schlicht für sich. Es zeichnet sich ab, dass diese neuen Arten von magnetischen Materialien für viele weitere Fachbereiche hochrelevant sein können. Die entsprechenden Artikel stammen daher aus den verschiedensten Disziplinen, in denen wir selbst nie aktiv waren.“
Der Preis der Sektion Festkörperphysik (Condensed Matter Division) der European Physical Society wurde auf der 32. Generalkonferenz der Sektion im österreichischen Graz übergeben.
