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Ein neuartiges magnetisches Material mit ungewöhnlicher elektronischer Struktur könnte künftig schnellere, kleinere und effizientere Computerchips ermöglichen: der p-Wellen-Magnet. An seiner Herstellung waren Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) beteiligt. Sein magnetisches Verhalten im Innern des Materials entsteht, weil sich die Spins der Elektronen wie eine Spirale anordnen. Dadurch wird durchfließender elektrischer Strom seitlich abgelenkt. Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature. (DOI: 10.1038/s41586-025-09633-4)
Bei Magnetismus, wie wir ihn täglich erleben, denken wir gewöhnlich an Materialien wie Eisen, Nickel oder Kobalt, die dauerhafte Magnetfelder erzeugen oder von solchen angezogen werden. In diesen ferromagnetischen Materialien zeigen die Spins, also die Drehmomente der Elektronen, alle in die gleiche Richtung. Antiferromagnetische Materialien hingegen wirken nach außen nicht magnetisch, weil sich die magnetischen Kräfte sowie die elektrischen Leitungseigenschaften der einzelnen Atome gegenseitig aufheben – die Spins benachbarter Elektronen zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Neueste Entwicklungen weisen jedoch darauf hin: Je nach Kombination aus magnetischer und elektronischer Anordnung können Antiferromagneten Eigenschaften von Ferromagneten annehmen. Ein solches Material haben nun Forschende des RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Japan, der Universität Tokio und des KIT entwickelt. Darin verhalten sich die Elektronen so, als wären sie nach Spin getrennt, was sich entscheidend auf ihre Bewegung auswirkt. Die Spins ordnen sich in diesem p-Wellen-Magneten, einer Verbindung aus mehreren verschiedenen Metallen, in einer regelmäßig wiederkehrenden Spirale an.
Magnetisierung rotiert um 360 Grad
„Die Magnetisierung rotiert auf einer Länge von nur sechs atomaren Gitterplätzen einmal um 360 Grad, wobei Nachbarn fast genau 60 Grad Differenz haben“, sagt Dr. Jan Masell, Leiter der Emmy Noether-Gruppe „MAGN3D“ am Institut für Theoretische Festkörperphysik des KIT und Gastwissenschaftler am CEMS. Er war an dem von der Universität Tokio und dem CEMS koordinierten, nun in der Zeitschrift Nature vorgestellten Projekt beteiligt, vereinte die verschiedenen theoretischen Ansätze sowohl miteinander als auch mit den experimentellen Messungen. „Zusätzlich weist unser Material eine ganz kleine messbare Magnetisierung auf, also ein kleines bisschen Ferromagnetismus – die Spirale ist also nicht perfekt“, erklärt Masell.
Diese minimale Abweichung führt zu einem Phänomen, das sonst nur in Kombination mit einem starken Magnetfeld oder starker Magnetisierung auftritt: einem ausgeprägten anomalen Halleffekt. Elektronen, die sich normalerweise geradlinig durch ein Material bewegen, werden allein durch die innere Struktur des p-Wellen-Magneten seitlich abgelenkt. „Wir konnten außerdem zeigen, dass sich die Spiralanordnung in der Magnetisierung drehen lässt – der Effekt des p-Wellen-Magneten ist also schaltbar“, so Masell. „Überdies hängt der elektrische Widerstand stark von der Orientierung der Spirale ab.“
Grundlagenforschung bietet neue Möglichkeiten
Mit dieser Grundlagenforschung könnten sich neue Möglichkeiten für die Informationstechnologie eröffnen: So könnte der metallische p-Wellen-Magnet künftig schnellere, kleinere und energieeffizientere Computerchips ermöglichen. Gleichzeitig bietet er eine Plattform, um spin-elektronische Zustände, beispielsweise in Magneten oder Supraleitern, weiter zu untersuchen.
Originalpublikation
Yamada, R., Birch, M.T., Baral, P.R. et al.: A metallic p-wave magnet with commensurate spin helix. Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09633-4
Abstract unter: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09633-4
Weitere Informationen zur Emmy Noether-Gruppe „MAGN3D“: https://www.tfp.kit.edu/1767.php
Im Dialog mit der Gesellschaft entwickelt das KIT Lösungen für große Herausforderungen – von Klimawandel, Energiewende und nachhaltigem Umgang mit natürlichen Ressourcen bis hin zu Künstlicher Intelligenz, technologischer Souveränität und demografischem Wandel. Als Die Universität in der Helmholtz-Gemeinschaft vereint das KIT wissenschaftliche Exzellenz vom Erkenntnisgewinn bis zur Anwendungsorientierung unter einem Dach – und ist damit in einer einzigartigen Position, diese Transformation voranzutreiben. Damit bietet das KIT als Exzellenzuniversität seinen mehr als 10 000 Mitarbeitenden sowie seinen 22 800 Studierenden herausragende Möglichkeiten, eine nachhaltige und resiliente Zukunft zu gestalten. KIT – Science for Impact.
Dr. Joachim Hoffmann, Pressereferent, Tel.: +49 721 608-41151, E-Mail: joachim.hoffmann@kit.edu
Yamada, R., Birch, M.T., Baral, P.R. et al.: A metallic p-wave magnet with commensurate spin helix. Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09633-4
https://www.tfp.kit.edu/1767.php Weitere Informationen zur Emmy Noether-Gruppe „MAGN3D“:
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09633-4 Abstract unter:
Künstlerische Darstellung des p-Wellen-Splittings: Laufrichtungsabhängiger Spin von Elektronen (grün ...
Quelle: Dr. Jan Masell, KIT
Copyright: Dr. Jan Masell, KIT
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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