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Wie hängen Supraleitung und Magnetismus zusammen? Das beschäftigt die Physik seit Jahrzehnten – nun liefert eine Arbeit der TU Wien eine überraschende neue Erklärung.
Manche Materialien leiten Strom völlig ohne elektrischen Widerstand, wenn man sie auf sehr tiefe Temperaturen abkühlt. Dieses Phänomen, das als Supraleitung bezeichnet wird, steht in engem Zusammenhang mit anderen wichtigen Materialeigenschaften. Doch wie neue Arbeiten der Physikerin Aline Ramires vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien nun zeigen, wurden diese Zusammenhänge bisher falsch interpretiert: In bestimmten Materialien sorgt die Supraleitung nicht für exotische magnetische Eigenschaften, wie man lange fälschlicherweise annahm. Stattdessen macht sie bloß eine ungewöhnliche Form des Magnetismus experimentell beobachtbar – den sogenannten Altermagnetismus.
Zurück in die Zukunft: die Zeitumkehrsymmetrie
Woran erkennt man, ob ein Film vorwärts oder rückwärts abläuft? Viele physikalische Phänomene unterscheiden nicht zwischen richtiger und umgekehrter Zeitrichtung. Magnetismus allerdings schon: Wenn ein Teilchen in einem Magnetfeld nach rechts abgelenkt wird, dann sieht es, wenn man die Zeit rückwärts laufen lässt, so aus, als würde es nach links abgelenkt werden. Man spricht dann von gebrochener Zeitumkehrsymmetrie. Diese Symmetriebrechung kann sich auch auf subtile, quantenphysikalische Art äußern, etwa in den Quantenzuständen von Teilchen in bestimmten Materialien. Fast immer ist das ein klares Signal dafür, dass magnetische Effekte am Werk sind.
So interpretierte man bisher eine Reihe von Messergebnissen bei unterschiedlichen Materialien: Genau unterhalb der Temperatur, bei der Supraleitung einsetzt, wurden bestimmte exotische Phänomene sichtbar. Die Schlussfolgerung schien offensichtlich: Das bedeutet, dass es sich um eine exotische Form von Supraleitung handeln muss, die genau am Punkt ihres Entstehens auch für Magnetismus sorgt und damit die Zeitsymmetrie bricht.
„Man beobachtete Brüche der Zeitumkehrsymmetrie etwa im Material Strontiumruthenat (Sr₂RuO₄), aber auch in bestimmten Schichtmaterialien“, sagt Aline Ramires. „Zunächst schien das alles Sinn zu ergeben, unter der Annahme, dass es sich um eine spezielle, chirale Art der Supraleitung handelt, die magnetische Effekte bewirken kann. Doch je mehr neue Ergebnisse hinzukamen, umso verwirrender wurde die Sache.“
Neue Befunde deuten stark darauf hin, dass supraleitendes Strontiumruthenat diesen Magneteffekt eigentlich gar nicht auslösen sollte. Andere Experimente zeigten magnetische Signaturen sogar oberhalb der kritischen Temperatur – also dort, wo Supraleitung noch gar nicht existieren sollte. „Man wusste: Irgendetwas passt hier nicht, aber niemand konnte sagen, was die Erklärung für diese seltsamen Widersprüche war“, sagt Ramires.
Altermagnetismus – eine exotische Sorte von Magnetismus
Was Ramires nun zeigen konnte: Dahinter steckt eine ungewöhnliche Sorte von Magnetismus, die erst seit wenigen Jahren bekannt ist und als Altermagnetismus bezeichnet wird. Der allgemein bekannte Ferromagnetismus beruht darauf, dass alle beteiligten Elektronen ihre magnetische Richtung – den sogenannten Spin – in dieselbe Richtung ausrichten.
Beim Antiferromagnetismus ist das Gegenteil der Fall: Benachbarte Spins zeigen jeweils in entgegengesetzte Richtungen und gleichen sich auf großen Skalen gegenseitig aus. „Beim Altermagnetismus zeigen benachbarte Spins ebenfalls in entgegengesetzte Richtungen, aber die räumliche Anordnung der einen Spin-Sorte ist nicht exakt äquivalent zur räumlichen Anordnung der anderen“, erklärt Aline Ramires. „Daher benehmen sich altermagnetische Materialien grundlegend anders.“
Auf die Symmetrie kommt es an
In bestimmten Materialien kann Altermagnetismus sowohl oberhalb als auch unterhalb der supraleitenden Übergangstemperatur existieren und die Zeitumkehrsymmetrie brechen. Allerdings können die typischen Signaturen, an denen man in der Festkörperphysik diese Symmetriebrechung normalerweise erkennt, verborgen bleiben, wenn das Material bestimmte innere Symmetrien besitzt.
„Wenn die Atome im Material auf bestimmte, symmetrische Weise angeordnet sind, dann sind bestimmte Effekte nicht sichtbar – etwa der Kerr-Effekt, eine Veränderung der optischen Eigenschaften eines Materials, die als typisches Zeichen für gebrochene Zeitumkehrsymmetrie gilt“, sagt Ramires. „Wenn nun Supraleitung einsetzt, können einige dieser räumlichen Symmetrien gebrochen werden – und dadurch werden zuvor verborgene Effekte messbar.“
Das bedeutet also: Die Supraleitung ist nicht für die Entstehung von Magnetismus in den Materialien verantwortlich. Die Materialien haben immer magnetische Eigenschaften – sie sind Altermagneten. Aber manchmal muss man die innere Symmetrie der Materialien brechen, um die Auswirkung dieses Altermagnetismus zu erkennen. Dort, wo man jahrelang eine „Schwelle“ für den Magnetismus vermutete, ändert sich der Magnetismus gar nicht – nur seine Auswirkungen werden an dieser Schwelle plötzlich sichtbar.
Prof. Aline Ramires Neves de Oliveira
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13768
aline.ramires@tuwien.ac.at
A. Ramires, From pure to mixed: Altermagnets as intrinsic symmetry-breaking indicators, Phys. Rev. Research 8, L012025. https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/jr65-4273
Aline Ramires
Source: TU Wien
Copyright: TU Wien
Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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