Wetenschappers ontdekken vreemde vorm van magnetisme in ultradun materiaal

Ruthenium dioxide staat al jaren te boek als een saai, niet-magnetisch materiaal. Grondig onderzoek naar de zogeheten bulkvorm van de stof - een gewoon, dik brokje kristal - liet geen enkel teken van magnetisme zien. Toch was het metaaloxide een van de eerste kandidaten die natuurkundigen aanwezen als mogelijke drager van altermagnetisme, een pas enkele jaren geleden voorgestelde en nog altijd zeldzame magnetische toestand. Nu blijkt dat de stof zich wél magnetisch gedraagt zodra ze in een extreem dunne film wordt gemaakt en onder spanning komt te staan, meldt een team van Rice University, de University of Minnesota en het Paul Scherrer Institute in het tijdschrift Science Advances.

Elektronenspins verraden het geheim

Om te achterhalen of een materiaal magnetisch is, kijken natuurkundigen naar de spin van elektronen: een eigenschap die te vergelijken is met een minuscuul kompasnaaldje. De richting waarin al die naaldjes wijzen, de zogeheten spintextuur, verklapt of en hoe een materiaal magnetisch is. Het team gebruikte hiervoor spin-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy, een techniek waarmee onderzoekers de spinrichting van elektronen in een materiaal nauwkeurig in kaart brengen. In de ultradunne films van ruthenium dioxide ontdekten ze spinpatronen die overeenkomen met altermagnetisme - een magnetische orde die tot nu toe alleen in een handvol andere materialen is waargenomen.

Spanning als schakelaar

Opvallend is dat dit magnetische gedrag alleen optrad onder specifieke omstandigheden. De ultradunne film moest onder lattice strain staan: mechanische spanning op het rooster van atomen waaruit het kristal is opgebouwd, veroorzaakt doordat de dunne laag zich moet aanpassen aan het materiaal waarop hij groeit. Zonder die spanning, zoals in de gewone bulkvorm, bleven de elektronenspins ongeordend. Volgens eerste auteur Yichen Zhang, die het onderzoek deed als promovendus aan Rice, suggereert dit dat spanning in het kristalrooster als een soort schakelaar kan werken om magnetisme aan of uit te zetten.

Belofte voor sneller computergeheugen

Die mogelijkheid is precies waarom dit onderzoek de aandacht trekt van de chipindustrie. Als spanning inderdaad kan dienen als controleknop voor magnetisme, ontstaat een nieuwe manier om materialen op maat te maken voor spintronica: een tak van de elektronica die niet alleen elektrische lading, maar ook de spin van elektronen gebruikt om informatie te verwerken en op te slaan. Altermagnetische materialen gelden als veelbelovend voor toekomstig computergeheugen, omdat ze in potentie sneller schakelen en minder energie verbruiken dan bestaande technieken. Onderzoeksleider Ming Yi benadrukt dat de bevinding ook laat zien hoe lastig het kan zijn om de ware aard van geavanceerde materialen te doorgronden: pas door het materiaal in een ongewone vorm en onder specifieke condities te bestuderen, kwam het verborgen magnetisme aan het licht.