Nanoskalige Röntgenbildgebung bestätigt Bulk-Altermagnetismus in MnTe

Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des MPI-CPfS konnte experimentell den Bulk-Altermagnetismus in MnTe nachweisen. Mithilfe der resonanten Röntgen-Nanobildgebung konnten sie magnetische Domänen auflösen und deren altermagnetische Eigenschaften bestätigen. Damit haben sie ein leistungsstarkes Werkzeug für zukünftige 3D- und Echtzeitstudien magnetischer Texturen geschaffen.
 

Auf den Punkt gebracht

• Altermagnetismus: Der bislang nur an Dünnschichtproben beobachtete Altermagnetismus konnte im sogenannten „Bulk material“ (Volumenproben) von MnTe experimentell nachgewiesen werden.
• Innovative Technik: Die Studie kombiniert Transmissions-Röntgen-Nanoimaging mit magnetischem Zirkulardichroismus. Dadurch steht ein wirksames Instrument zur Identifizierung altermagnetischer Ordnung in Volumenproben zur Verfügung.
• Bedeutung: Altermagnete kombinieren antiferromagnetische Ordnung mit ferromagnetähnlichen Eigenschaften. Dies könnte Vorteile für die Energiegewinnung und Datenverarbeitung bieten.

Magnetische Materialien sind seit der Antike bekannt und spielen in der modernen Gesellschaft eine wichtige Rolle. Magnetische Ordnung eröffnet Wege zur Energiegewinnung und Datenverarbeitung. Bisher war für ihre Anwendungen das magnetische Nettomoment von Ferromagneten entscheidend, während eine alternative Art von magnetischem Material, der Antiferromagnet ohne magnetisches Nettomoment, von seinem Entdecker Louis Néel in seiner Nobelpreisrede als „nutzlos” bezeichnet wurde. In den letzten Jahren ist das Interesse an Antiferromagneten jedoch gestiegen, da sie eine Reihe spannender Vorteile für Technologien bieten, darunter robuste Ordnung und ultraschnelle Dynamik. Allerdings sind sie elektrisch schwer zu erkennen und zu manipulieren. Die jüngste Entdeckung einer neuen Art magnetischer Ordnung, des Altermagneten, stellt diese Sichtweise auf den Kopf: Die Kombination antiferromagnetischer Ordnung mit ferromagnetähnlichen Eigenschaften, wie  zum Beispiel der spintronische Effekt, bietet eine Vielzahl von Vorteilen für zukünftige Anwendungen.

Seit den ersten theoretischen Arbeiten, die Altermagnetismus vorhersagten, hat sich dieses Forschungsgebiet rasant entwickelt. Sowohl theoretische als auch experimentelle Arbeiten haben zu Fortschritten in unserem Verständnis geführt. Eine der offenen Fragen war jedoch, ob sich die Volumenbeschaffenheit der Ordnung experimentell messen lässt. Da die meisten früheren experimentellen Studien dünne Schichten oder von Natur aus oberflächenempfindliche Techniken verwendeten, blieb die Frage offen, wie sich die altermagnetischen Eigenschaften im Volumen eines Materials manifestieren. Um diese Herausforderung zu meistern, führte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Claire Donnelly am Max-Planck-Institut Messungen mit einem Rastertransmissions-Röntgenmikroskop (STXM) mit nanoskaliger räumlicher Auflösung an aus einem Einkristall extrahierten Lamellen durch. Auf diese Weise gelang es dem Team, altermagnetische Domänen in Volumenproben von MnTe – einem Kandidaten für Altermagnetismus – zu beobachten, die bisher nur in Dünnschichtsystemen gesehen worden waren (beobachtet wurden).
Mithilfe dieser Röntgenmessungen konnte das Team nicht nur die magnetische Konfiguration beobachten, sondern durch die Durchführung als Funktion der Röntgenenergie auch offene Fragen zur altermagnetischen Natur des Materials klären. „In früheren Messungen, die von unseren Kollegen veröffentlicht wurden, war der gemessene Röntgendichroismus deutlich schwächer als theoretisch vorhergesagt”, sagt Rikako Yamamoto, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe und Erstautorin der Studie. „Als wir unsere Ergebnisse jedoch mit den vorherigen verglichen, stellten wir fest, dass die Signalstärken fast perfekt mit der Theorie übereinstimmten. Somit konnten wir bestätigen, dass der Großteil unserer Probe altermagnetisch ist!“

Die Experimente wurden an der MAXYMUS-Beamline des Synchrotrons BESSY II in Berlin durchgeführt. Dabei wurden zirkular polarisierte Röntgenstrahlen auf einen Punkt im Nanobereich fokussiert, über die Probe gescannt und das durchgelassene Signal für verschiedene Polarisationen gemessen. Dieser sogenannte „magnetische Zirkulardichroismus von Röntgenstrahlen” tritt am häufigsten bei Ferromagneten auf, wo das Signal einem Netto-Magnetmoment entspricht. Bei Antiferromagneten hingegen, bei denen die Nettomagnetisierung verschwindet, ist das Signal in der Regel null. Altermagnete hingegen zeigen trotz ihrer antiferromagnetischen Ordnung diesen Röntgendichroismus, was eine Möglichkeit bietet, ihre Eigenschaften im Nanobereich abzubilden. „Besonders interessant war die Vielfalt der Merkmale, die wir in den Röntgendichroismus-Bildern beobachtet haben”, sagt Donnelly. „Neben hellen und dunklen Bereichen, die Regionen mit unterschiedlichen Ausrichtungen der altermagnetischen Ordnung entsprechen, sahen wir auch eine Reihe von Merkmalen im Nanobereich mit komplexeren Mustern.” Tatsächlich wurden dichroische Signale beobachtet, die auf topologische Strukturen hindeuten, darunter sowohl Domänenwände als auch gewundene, wirbelartige Texturen. „Die Tatsache, dass solche Strukturen in natürlich gewachsenen Einkristallen zu sehen waren, war überraschend!”, fährt Yamamoto fort. „Dies bedeutet hoffentlich, dass dieser Ansatz auch eine Plattform für die Erforschung topologischer magnetischer Texturen und ihres Verhaltens bieten kann!“

Diese Studie liefert nicht nur experimentelle Belege für die Volumeneigenschaft des Altermagnetismus in MnTe, sondern etabliert auch die Transmissions-Röntgen-Nanobildgebung als leistungsfähige Methode zur Identifizierung altermagnetischer Ordnung. In Zukunft kann dieser Ansatz problemlos auf viele andere potenzielle Altermagnete angewendet werden, die von Theoretikern vorhergesagt werden. Marcus Schmidt, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, der den Einkristall MnTe gezüchtet hat, sagt dazu: „Es ist sehr spannend, dass wir diese Materialien nun züchten und ihre altermagnetische Ordnung im Nanobereich direkt mit Röntgenstrahlen untersuchen können – wer weiß, was wir noch alles entdecken werden!“