EINE NEUE ART VON MAGNET FUNKTIONIERT BEI RAUMTEMPERATUR

Elektronen tragen eine Ladung, aber auch einen Spin, einen winzigen eingebauten Magneten, der „nach oben“ oder „nach unten“ zeigt. Die Spintronik will diesen Spin nutzen, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. In den letzten Jahren haben Physiker magnetische Materialien mit einer auffälligen Eigenschaft gefunden: Sie haben keine Gesamtmagnetisierung, doch die Energie ihrer Elektronen hängt trotzdem vom Spin ab – und zwar auf eine Weise, die sich mit der Bewegungsrichtung ändert. Diese „Spinaufspaltung“ beruht nicht auf relativistischen Effekten, was sie groß macht.

In einigen dieser Materialien, den Altermagneten, ist das Muster symmetrisch: Ein Elektron, das sich in eine Richtung bewegt, und eines, das sich in die Gegenrichtung bewegt, sehen denselben Spin. Bei p-Wellen-Magneten ist es umgekehrt: Kehrt man die Bewegungsrichtung um, kehrt sich auch der Spin um. Bisher funktionierten die berichteten p-Wellen-Magnete nur unterhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff.

Eine Spirale in einem vertrauten Kristall

Kaiwen Shen, Xianzhe Chen, Libor Šmejkal und Kollegen von der Fudan-Universität in Shanghai, zwei Max-Planck-Instituten in Dresden sowie weiteren Einrichtungen in China und Tschechien wandten sich dem Bismutferrit (BiFeO₃) zu. Es ist einer der am besten untersuchten „Multiferroika“, Materialien, die zugleich magnetisch und ferroelektrisch sind – sie tragen eine eingebaute elektrische Polarisation. Es bleibt bis etwa 640 Kelvin (weit über Raumtemperatur) magnetisch geordnet und bis 1.100 Kelvin ferroelektrisch.

In seinem Inneren sind die magnetischen Momente der Eisenatome nicht ausgerichtet: Sie drehen sich Schritt für Schritt entlang einer Spirale, einer sogenannten Zykloide. Das Team zeigt, dass diese Spirale allein p-Wellen-Magnetismus erzeugt – ein Mechanismus, den sie als bisher übersehen beschreiben.

Erst Theorie, dann ein Laser

Berechnungen der Elektronen des Kristalls zeigen ein sauberes p-Wellen-Spinmuster mit einer Spinaufspaltung von etwa 100 Millielektronenvolt. Relativistische Effekte hinzuzunehmen, ändert daran kaum etwas: Der Effekt stammt aus der magnetischen Ordnung selbst.
Dreht sich die Spirale andersherum – linkshändig statt rechtshändig –, kehrt sich das Spinmuster um.
Im Labor züchteten sie einen 100 Nanometer dicken Film aus Bismutferrit und bildeten seine magnetische Spirale mit einem Quantensensor mit Diamantspitze ab.
Um die Spins auszulesen, beleuchteten sie den Film mit einem zirkular polarisierten Laser. Licht, das sich in eine Richtung dreht, regt Elektronen eines Spins stärker an als die des anderen und erzeugt so einen kleinen elektrischen Strom, dessen Vorzeichen der Spinrichtung folgt. Beim Drehen der Probe erreichte der Strom genau in der Richtung sein Maximum, die für die p-Wellen-Spinpolarisation vorhergesagt war. Alle diese Messungen erfolgten bei Raumtemperatur an der Luft.

Spins per Spannung umkehren

Das Schlüsselmerkmal: Im Bismutferrit ist der Drehsinn der Spirale an die elektrische Polarisation gekoppelt. Kehrt man das eine um, folgt das andere.

Das Team legte elektrische Pulse von etwa 300 Kilovolt pro Zentimeter an den Film an. Die Polarisation drehte sich, die Spirale wechselte ihren Drehsinn, und der laserinduzierte Strom wechselte das Vorzeichen: positiv nach einem Puls, negativ nach dem entgegengesetzten. Gegen das angelegte Feld aufgetragen, beschrieb der Strom eine Hystereseschleife, die dem Umschalten der Polarisation des Kristalls entsprach. Die Änderung ist umkehrbar und bleibt nach dem Puls bestehen.

Magnetische Aufnahmen der Spirale vor und nach dem Umschalten, das Bauteil und Stromkurven, die eine Schleife bilden.

Elektrische Pulse kehren die Polarisation und den Drehsinn der Spirale um (a); das Bauteil (b); der Spinstrom wechselt das Vorzeichen (c) und folgt einer Hystereseschleife über dem elektrischen Feld (d). – Abbildung 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.

Aus der Kälte auf den Schreibtisch

Die Autoren präsentieren ihn als Magneten mit Spinaufspaltung ungerader Parität, die bei Raumtemperatur per Spannung gesteuert wird, und sehen darin einen Weg zu spintronischen Bauteilen mit geringem Energieverbrauch. Die Ergebnisse stammen von dünnen Filmen im Labor; über das Umschalten des gemessenen Signals hinaus ist noch kein Bauteil demonstriert.