Altermagnetisme: de derde vorm van magnetisme
Stel je een schaakbord voor waarop elk zwart en wit vakje een piepklein kompasnaaldje bevat. In een gewoon magneet-materiaal wijzen alle naaldjes dezelfde kant op: samen vormen ze een sterke magneet, zoals een koelkastmagneet. In een zogeheten antiferromagneet wijzen de naaldjes op de zwarte vakjes omhoog en die op de witte vakjes omlaag. Ze heffen elkaar precies op, waardoor het materiaal van buitenaf helemaal niet magnetisch lijkt. Altermagnetisme is een derde, pas in 2022 wetenschappelijk beschreven mogelijkheid: de naaldjes wisselen elkaar ook hier op zwart en wit af en heffen elkaar magnetisch gezien op, maar de zwarte en witte vakjes staan ten opzichte van elkaar gedraaid, als een patroon dat je pas herkent als je het roteert in plaats van spiegelt.
Dat verschil klinkt subtiel, maar heeft grote gevolgen. Door die geometrische 'draai' gedragen elektronen die door het materiaal bewegen zich in bepaalde richtingen alsof ze door een echte magneet reizen, terwijl het materiaal naar buiten toe geen magnetisch veld uitstraalt. Onderzoekers zijn enthousiast omdat altermagneten daardoor het beste van twee werelden lijken te combineren: de bruikbare elektronische eigenschappen van gewone magneten en de onzichtbaarheid en snelheid van antiferromagneten. Dat maakt ze interessant voor toekomstige, energiezuinige geheugenchips.
Wat is het precies?
Om altermagnetisme te begrijpen, helpt het om te weten wat spin is: een kwantummechanische eigenschap van elektronen die zich laat vergelijken met een piepklein draaiend kompasnaaldje. In een ferromagneet (de 'gewone' magneet, zoals ijzer) wijzen de meeste spins dezelfde kant op. In een antiferromagneet wisselen spins met tegengestelde richting elkaar af op het kristalrooster, zodat de netto magnetisatie nul is.
Bij een antiferromagneet zijn de twee spin-richtingen met elkaar verbonden via verschuiving (translatie) of spiegeling (inversie) van het kristalrooster. Bij een altermagneet zijn ze in plaats daarvan verbonden via een rotatie. Dat is een verschil in kristalsymmetrie dat pas rond 2022 volledig in kaart werd gebracht door natuurkundigen Libor Šmejkal, Jairo Sinova en Tomáš Jungwirth, samen met collega's, in het vaktijdschrift Physical Review X.
Het gevolg van die rotatiesymmetrie is dat de energiebanden van elektronen in het materiaal — een soort landkaart van welke energieën en bewegingsrichtingen elektronen mogen hebben — voor de twee spin-richtingen niet meer identiek zijn, ook al is er netto geen magnetisatie. Natuurkundigen noemen dit spin-opsplitsing die afhangt van de bewegingsrichting (momentum-afhankelijke spinsplitsing). Dat is normaal een kenmerk van ferromagneten, niet van materialen zonder netto magnetisatie. Deze opsplitsing zorgt onder meer voor een meetbaar anomale Hall-effect (een dwarsspanning die ontstaat wanneer stroom door het materiaal loopt) en voor spin-stromen, effecten die je normaal alleen in ferromagneten verwacht.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter dit onderzoek is grotendeels spintronica: een tak van de elektronica die niet alleen de lading van elektronen gebruikt om data op te slaan en te verwerken (zoals gewone chips doen), maar ook hun spin. Spintronische geheugens kunnen in theorie sneller en zuiniger zijn dan huidige geheugentechnologie.
Bestaande spintronische geheugens (MRAM) gebruiken meestal ferromagneten. Die hebben een nadeel: ze stralen een magnetisch veld uit, waardoor naburige geheugencellen elkaar kunnen beïnvloeden als je ze te dicht bij elkaar plaatst. Antiferromagneten hebben dat probleem niet en kunnen bovendien extreem snel schakelen, tot in het terahertz-gebied, duizend keer sneller dan huidige chips. Hun nadeel is dat hun magnetische toestand lastig af te lezen is, juist omdat ze geen netto magnetisch signaal geven.
Altermagneten beloven dit dilemma op te lossen: geen storend strooiveld (net als antiferromagneten), potentieel razendsnelle schakeling, én toch een elektrisch meetbaar signaal dankzij de spin-opsplitsing en het anomale Hall-effect (net als ferromagneten). Daarnaast is het voor natuurkundigen ook gewoon fundamenteel interessant: het is zeldzaam dat er een compleet nieuwe hoofdcategorie van magnetische ordening wordt herkend, naast de twee die al sinds het begin van de twintigste eeuw bekend waren.
Voorbeelden uit de praktijk
Omdat altermagnetisme pas sinds 2022 als apart begrip bestaat, gaat het vooralsnog vrijwel uitsluitend om fundamenteel laboratoriumonderzoek, geen commerciële toepassingen.
- 2022 — Šmejkal, González-Hernández, Jungwirth en Sinova publiceren de theoretische classificatie van altermagnetisme in Physical Review X, inclusief een lijst van tientallen kandidaat-materialen op basis van berekeningen aan kristalstructuren.
- Ruthenium(IV)oxide (RuO2) — lange tijd het bekendste 'voorbeeldmateriaal', met vroege metingen die op een anomaal Hall-effect en spin-opsplitsing wezen. Vanaf 2024 plaatsten andere onderzoeksgroepen, met neutronenverstrooiing en muon-spinrotatie, hier belangrijke kanttekeningen bij: zij vonden geen overtuigend bewijs voor magnetische ordening in RuO2 op de manier die verwacht werd. Of RuO2 daadwerkelijk een altermagneet is, staat sindsdien ter discussie binnen het veld.
- Mangaantelluride (MnTe) — met foto-emissiespectroscopie (ARPES, een techniek waarmee je energiebanden van elektronen direct kunt 'fotograferen') toonden onderzoeksgroepen in 2024 de voorspelde spin-opsplitsing aan. MnTe geldt inmiddels als een van de best bevestigde altermagneten.
- Chroomantimonide (CrSb) — eveneens onderzocht met ARPES in 2024, met relatief grote, goed meetbare spin-opsplitsing, wat het materiaal aantrekkelijk maakt voor vervolgonderzoek.
- Eerste labdemonstraties van altermagnetische junctions — verschillende groepen experimenteren met dunne-filmstructuren waarin het spin-afhankelijke gedrag van altermagneten wordt gebruikt om signalen te schakelen of uit te lezen, vooralsnog puur als proof-of-concept op laboratoriumschaal.
Hoe ver is de techniek?
Altermagnetisme bevindt zich nog volledig in de fase van fundamenteel materiaalonderzoek. Er bestaat geen enkel commercieel product dat er gebruik van maakt, en dat zal vermoedelijk nog jaren duren.
Wat wel hard gaat, is de wetenschappelijke productie: sinds de classificatie in 2022 groeide het aantal wetenschappelijke publicaties over het onderwerp explosief, en via systematisch computeronderzoek van kristaldatabases zijn honderden potentiële altermagnetische materialen geïdentificeerd. Slechts een handvol daarvan is tot nu toe experimenteel goed bevestigd, vooral via ARPES-metingen bij grote synchrotronfaciliteiten.
De belangrijkste hobbels zijn tweeledig. Ten eerste is het maken van zuivere, goed gekarakteriseerde kristallen en dunne films van deze materialen lastig, en meetresultaten worden soms tegengesproken door vervolgstudies, zoals bij RuO2 gebeurde. Ten tweede moet nog blijken of de spin-effecten in altermagneten groot en stabiel genoeg zijn bij kamertemperatuur om er werkende, betrouwbare chips mee te bouwen. Dat vergt nog forse stappen in materiaalkunde en chipontwerp voordat er sprake kan zijn van praktische toepassingen.
Wie werken eraan?
Het theoretische fundament werd gelegd door een klein internationaal team rond Libor Šmejkal (Johannes Gutenberg-Universiteit Mainz, Duitsland, en het Institute of Physics van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in Praag), Jairo Sinova (eveneens Mainz) en Tomáš Jungwirth (Tsjechische Academie van Wetenschappen en University of Nottingham, Verenigd Koninkrijk), samen met onder anderen Rafael González-Hernández.
Het experimentele bevestigingswerk gebeurt vooral bij grote synchrotronfaciliteiten die ARPES-metingen mogelijk maken, zoals Diamond Light Source (Verenigd Koninkrijk), BESSY II (Duitsland) en SOLEIL (Frankrijk), in samenwerking met universitaire onderzoeksgroepen uit Duitsland, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, en in toenemende mate ook uit China en de Verenigde Staten. Van betrokkenheid van grote chipfabrikanten is nog nauwelijks sprake; het onderzoek wordt vrijwel volledig gedragen door universiteiten en publiek gefinancierde onderzoeksinstituten.