Wissenschaftler nutzen Licht, um magnetische Domänen in Quantenmaterialien sichtbar zu machen

Wenn uns etwas wie ein Magnet anzieht, schauen wir genauer hin. Wenn Magnete Physiker anziehen, werfen sie einen Quantenblick darauf. Wissenschaftlern der Osaka Metropolitan University und der Universität Tokio ist es gelungen, mithilfe von Licht winzige magnetische Regionen, sogenannte magnetische Domänen, in einem speziellen Quantenmaterial sichtbar zu machen. Ihre Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Darüber hinaus konnten sie diese Regionen durch die Anwendung eines elektrischen Feldes manipulieren. Ihre Ergebnisse liefern neue Einblicke in das komplexe Verhalten magnetischer Materialien auf Quantenebene und ebnen den Weg für zukünftige technologische Fortschritte.

Die meisten von uns kennen Magnete, die an Metalloberflächen haften. Aber was ist mit denen, die das nicht tun? Dazu gehören Antiferromagnete, die für Technologieentwickler auf der ganzen Welt zu einer wichtigen Priorität geworden sind.

Antiferromagnete sind magnetische Materialien, bei denen die magnetischen Kräfte oder Spins in entgegengesetzte Richtungen zeigen, sich gegenseitig aufheben und kein Nettomagnetfeld erzeugen. Daher haben diese Materialien keine ausgeprägten Nord- und Südpole und verhalten sich nicht wie herkömmliche Ferromagnete.

Antiferromagnete, insbesondere solche mit quasi-eindimensionalen Quanteneigenschaften (das heißt, ihre magnetischen Eigenschaften sind hauptsächlich auf eindimensionale Atomketten beschränkt), gelten als potenzielle Kandidaten für Elektronik- und Speichergeräte der nächsten Generation.

Die Besonderheit antiferromagnetischer Materialien liegt jedoch nicht nur in ihrer mangelnden Anziehungskraft auf metallische Oberflächen, und die Untersuchung dieser vielversprechenden, aber schwierigen Materialien ist keine leichte Aufgabe.

„Die Beobachtung magnetischer Domänen in quasi-eindimensionalen quantenantiferromagnetischen Materialien war aufgrund ihrer niedrigen magnetischen Übergangstemperaturen und kleinen magnetischen Momente schwierig“, sagte Kenta Kimura, außerordentliche Professorin an der Osaka Metropolitan University und Hauptautorin der Studie.

Magnetische Domänen sind kleine Bereiche innerhalb magnetischer Materialien, in denen sich die Spins der Atome in die gleiche Richtung ausrichten. Die Grenzen zwischen diesen Domänen werden Domänenwände genannt.

Nachdem sich traditionelle Beobachtungsmethoden als wirkungslos erwiesen hatten, warf das Forscherteam einen kreativen Blick auf den quasi-eindimensionalen Quantenantiferromagneten BaCu.₂Wenn₂Oh₇. Sie machten sich den nichtreziproken Richtungsdichroismus zunutze, ein Phänomen, bei dem sich die Lichtabsorption eines Materials ändert, wenn die Richtung des Lichts oder seiner magnetischen Momente umgekehrt wird.

Dies ermöglichte es ihnen, die magnetischen Domänen innerhalb von BaCu sichtbar zu machen₂Wenn₂Oh₇Dies zeigt, dass in einem Einkristall gegensätzliche Domänen nebeneinander existieren und dass ihre Domänenwände hauptsächlich entlang spezifischer Atomketten oder Spinketten ausgerichtet sind.

„Sehen ist Glauben und Verstehen beginnt mit direkter Beobachtung“, sagte Kimura. „Ich freue mich, dass wir die magnetischen Domänen dieser Quantenantiferromagnete mit einem einfachen optischen Mikroskop sichtbar machen können.“

Das Team zeigte außerdem, dass diese Domänenwände mithilfe eines elektrischen Felds durch ein Phänomen namens magnetoelektrische Kopplung bewegt werden können, bei dem magnetische und elektrische Eigenschaften miteinander verbunden sind. Auch bei einem Umzug behielten die Mauern der Domäne ihre ursprüngliche Ausrichtung.

„Diese Methode der optischen Mikroskopie ist einfach und schnell und ermöglicht möglicherweise in Zukunft die Visualisierung sich bewegender Domänenwände in Echtzeit“, sagte Kimura.

Diese Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis und der Manipulation von Quantenmaterialien dar, eröffnet neue Möglichkeiten für technologische Anwendungen und erkundet neue Grenzen der Physik, die zur Entwicklung zukünftiger Quantengeräte und -materialien führen könnten.

„Die Anwendung dieser Beobachtungsmethode auf verschiedene quasi-eindimensionale Quantenantiferromagnete könnte neue Erkenntnisse darüber liefern, wie Quantenfluktuationen die Bildung und Bewegung magnetischer Domänen beeinflussen, und so den Entwurf von Elektronik der nächsten Generation unter Verwendung antiferromagnetischer Materialien erleichtern“, sagte Kimura.