Das Potenzial magnetischer Materialien erschließen

Von Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie 4. Februar 2023

Ein magnetisches Material wird zwei Laserstrahlen ausgesetzt, deren elektrische Felder sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Das Material streut das Licht zurück. Besteht ein Unterschied in der Intensität des Streulichts der beiden Strahlen, befindet sich das Material in einer topologischen Phase. Bildnachweis: Jörg Harms, MPSD

Topologische Phasen sind nicht auf elektronische Systeme beschränkt und können auch in magnetischen Materialien vorkommen, die durch magnetische Wellen, sogenannte Magnonen, gekennzeichnet sind. Während Wissenschaftler Methoden zur Erzeugung und Messung von Magnonströmen entwickelt haben, müssen sie eine topologische Magnonphase noch direkt beobachten.

Ein Magnon bewegt sich durch ein magnetisches Material, indem es dessen magnetische Ordnung stört, ähnlich wie sich eine Schallwelle durch die Luft bewegt. Diese Ordnung kann man sich als eine Ansammlung von Kreiseln vorstellen, die eine bestimmte Rotationsachse teilen. Die Wirkung der Welle besteht darin, die Achsen, um die sich die Kreisel drehen, leicht zu neigen.

Eine topologische Magnonenphase ist mit Kanälen verbunden, die einen Magnonenstrom entlang der Kanten der Probe transportieren können. Die Forscher hoffen, dass solche Randkanäle zur Übertragung von Informationen in zukünftigen Spintronikgeräten genutzt werden können, ähnlich wie elektrische Ströme zur Signalübertragung in elektronischen Geräten verwendet werden. Bevor solche Technologien jedoch realisiert werden können, müssen Wissenschaftler einen Weg finden, um zu überprüfen, ob eine magnetische Phase topologisch ist oder nicht.

The transatlantic research team studied a class of magnetic materials structurally similar to grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Graphen und setzten sie Laserlicht mit entweder rechts- oder linksdrehender Polarisation aus, wobei sich das elektrische Feld des Lasers entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Achse des Laserstrahls dreht. Die Forscher analysierten das vom Material gestreute Licht und zeigten, dass sich das Material in einer topologischen Phase befindet, wenn die Streuintensität für die beiden Polarisationen unterschiedlich ist. Wenn umgekehrt kein Unterschied in der Streulichtintensität besteht, befindet sich das Material nicht in einer topologischen Phase. Die Eigenschaften des Streulichts dienen dabei als eindeutige Indikatoren für die topologischen Phasen in diesen magnetischen Materialien.

Die Technik ist einfach anzuwenden und kann auch auf andere Quasiteilchen ausgeweitet werden, sagt Hauptautor Emil Viñas Boström: „Raman-Streuung ist eine experimentelle Standardtechnik, die in vielen Labors verfügbar ist, was eine der Stärken dieses Vorschlags ist. Darüber hinaus ist unsere Die Ergebnisse sind recht allgemein und gelten gleichermaßen für andere Arten von Systemen, die aus Phononen, Exzitonen oder Photonen bestehen.“

Langfristig besteht die Hoffnung, dass Magnonen zum Bau nachhaltigerer technischer Geräte mit deutlich geringerem Energieverbrauch genutzt werden können: „Durch die Nutzung topologischer Magnonenströme könnte der Energieverbrauch künftiger Geräte im Vergleich zu elektronischen Geräten potenziell um den Faktor 1.000 gesenkt werden.“ „Obwohl es bis dahin noch viele Probleme zu lösen gibt“, sagt Viñas Boström.

Reference: "Direct Optical Probe of Magnon Topology in Two-Dimensional Quantum Magnets" by Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini, James W. McIver, Angel Rubio, Silvia Viola Kusminskiy and Michael A. Sentef, 13 January 2023, Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.026701