30. März 2022

Neuer magnetischer Splittingeffekt an BESSY II entdeckt

Forschungsgruppe beobachtet die Entstehung von Fermi-Bögen durch magnetische Aufspaltung in einem Antiferromagneten

Eine internationale Kooperation hat Proben von NdBi-Kristallen untersucht, die interessante magnetische Eigenschaften aufweisen. Bei ihren Experimenten, darunter Messungen an BESSY II, konnten sie Hinweise auf so genannte Fermi-Bögen im antiferromagnetischen Zustand der Probe bei tiefen Temperaturen finden. Diese Beobachtung wird durch bestehende theoretische Vorstellungen noch nicht erklärt und eröffnet faszinierende Möglichkeiten, diese Art von Materialien für innovative Informationstechnologien zu nutzen, die auf Spins statt auf Elektronen basieren.

Neodym-Bismut-Kristalle gehören zur breiten Palette von Materialien mit interessanten magnetischen Eigenschaften. Die Fermi-Fläche, die in den Experimenten gemessen wird, enthält Informationen über die Transporteigenschaften der Ladungsträger im Kristall. Während die Fermi-Fläche normalerweise aus geschlossenen Konturen besteht, sind unzusammenhängende Abschnitte, die als Fermi-Bögen bezeichnet werden, sehr selten und können Anzeichen für ungewöhnliche elektronische Zustände sein.

Ungewöhnliche Aufspaltung

In einer Studie, die jetzt in Nature veröffentlicht wurde, präsentiert das Team experimentelle Beweise für solche Fermi-Bögen. Sie beobachteten eine ungewöhnliche magnetische Aufspaltung im antiferromagnetischen Zustand der Proben unterhalb einer Temperatur von 24 Kelvin (der Néel-Temperatur). Diese Aufspaltung erzeugt Bänder mit entgegengesetzter Krümmung, die sich mit der Temperatur zusammen mit der antiferromagnetischen Ordnung ändern.

Diese Beobachtung ist sehr wichtig, weil sie sich von den bisher theoretisch betrachteten und experimentell beobachteten Fällen magnetischer Aufspaltungen fundamental unterscheidet. Bei den bisher bekannten Zeeman- und Rashba-Aufspaltungen bleibt die Krümmung der Bänder immer erhalten. Da beide genannten Effekte für die Spintronik wichtig sind, könnten die aktuellen Erkenntnisse zu neuen Anwendungen führen, zumal sich das Augenmerk bei der Spintronikforschung derzeit von traditionell ferromagnetischen hin zu antiferromagnetischen Materialien bewegt.

Publikation

Emergence of Fermi arcs due to magnetic splitting in an antiferromagnet
Benjamin Schrunk, Yevhen Kushnirenko, Brinda Kuthanazhi, Junyeong Ahn, Lin-Lin Wang, Evan O’Leary, Kyungchan Lee, Andrew Eaton, Alexander Fedorov, Rui Lou, Vladimir Voroshnin, Oliver J. Clark, Jaime Sánchez-Barriga, Sergey L. Budko, Robert-Jan Slager, Paul C. Canfield, and Adam Kaminski
Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04412-x