Voor het eerst hebben natuurkundigen zogeheten altermagneten gemeten. Het vermoeden bestond al langer dat dit type magneet bestaat, maar het was nog nooit eerder gezien.

Natuurkundigen hebben voor het eerst een nieuw soort magnetisme waargenomen. Het gaat om zogeheten altermagneten, die een mix van eigenschappen bevatten van verschillende klassen bestaande magneten.

Deze magneten kunnen gebruikt worden om geheugenapparaten met een hoge capaciteit en snelheid te maken. Ook kunnen ze zinvol zijn in nieuwe soorten magnetische computers. 

Iedereen kan overweg met een 'derde duim'
LEES OOK

Iedereen kan overweg met een 'derde duim'

Iedereen kan wennen aan een extra robotduim, van kinderen tot senioren. Dat stelden Britse onderzoekers vast bij een wetenschapsfestival.

Twee soorten magnetisme

Tot de 20e eeuw dacht men dat er maar één soort permanente magneet bestond: de ferromagneet. We kennen dit type magnetisme vooral van koelkastmagneten. Ferromagneten zijn voorwerpen met relatief sterke externe magneetvelden.

Deze magneetvelden ontstaan als de elektronen in het materiaal allemaal dezelfde kant op ‘wijzen’. Dat wil zeggen dat ze allemaal dezelfde magnetische spin (een soort quantummechanische draairichting) hebben.

In de jaren 1930 ontdekte de Franse natuurkundige Louis Néel een ander soort magnetisme, antiferromagnetisme genaamd. Daarbij staan de elektronenspins afwisselend omhoog en omlaag. Hoewel antiferromagneten niet de externe velden vertonen van ferromagneten, vertonen ze interessante interne magnetische eigenschappen.

De derde soort

In 2019 voorspelden onderzoekers een raadselachtige elektrische stroom in de kristalstructuur van bepaalde antiferromagneten, het zogenaamde anomale Hall-effect. Dat effect kon niet worden verklaard met de gebruikelijke theorie van afwisselende spins.

Als je een kristal beschouwt in termen van vlakken met spins, leek het erop dat een derde soort permanent magnetisme verantwoordelijk was. De onderzoekers noemden dit altermagnetisme.

Altermagneten lijken op antiferromagneten, maar hun vlakken van spins zouden er hetzelfde uitzien onafhankelijk van de hoek waarin je kijkt. Dit zou het anomale Hall-effect verklaren. Omdat ze de elektronische vingerafdruk van de structuur niet konden achterhalen, wisten de wetenschappers echter niet zeker of ze wel echt een nieuwe magneetsoort te pakken hadden.

Altermagneten

Nu heeft een team van natuurkundige Juraj Krempasky van het Paul Scherrer-instituut in Villigen in Zwitserland het bestaan van een altermagneet bevestigd. Ze beschreven hun vondst in het vakblad Nature.

Ze maten de elektronenstructuur van een kristal, mangaantelluride. Voorheen dachten wetenschappers dat dit materiaal antiferromagnetisch was.

Om de elektronenstructuur te achterhalen, keken ze hoe het kristal licht weerkaatste. Zo konden ze de energieën en snelheden van de elektronen in het kristal vaststellen. Het gedrag van de elektronen bleek bijna exact overeen te komen met de voorspellingen van simulaties van een altermagnetisch materiaal.

De elektronen leken in twee groepen te zijn gesplitst, waardoor ze meer bewegingsvrijheid binnen het kristal hadden. Dat veroorzaakt de ongewone altermagnetische eigenschappen.

’Dit gaf direct bewijs dat we van altermagneten kunnen spreken, en dat ze zich precies gedragen zoals de theorie voorspelt’, zegt Krempasky.

Mooie bevestiging

Het elektronengedrag lijkt afkomstig te zijn van de niet-magnetische telluriumatomen in het kristal. Zij scheiden de magnetische ladingen van het mangaan in hun eigen vlakken. Zo maken ze de ongewone draaisymmetrie mogelijk.

’Het is echt een mooie bevestiging dat deze materialen bestaan’, zegt natuurkundige Richard Evans van de Universiteit van York in het Verenigd Koninkrijk. Naast het feit dat de elektronen in altermagneten vrijer kunnen bewegen dan die in antiferromagneten, heeft dit nieuwe type magneet ook geen externe magneetvelden zoals ferromagneten, zegt Evans. Je zou ze dus kunnen gebruiken om magnetische apparaten te maken die elkaar niet storen.

Harde schijven

De eigenschap zou de opslag op harde schijven van computers kunnen verbeteren. Commerciële apparaten voor dat doeleinde bevatten namelijk ferromagnetisch materiaal dat zo dicht op elkaar zit dat de externe magneetvelden elkaar dwars kunnen zitten. Altermagneten zou je dichter op elkaar kunnen plaatsen.

De magneten kunnen zelfs leiden tot spintronics-computers die magnetische spin in plaats van stroom gebruiken om hun metingen en berekeningen uit te voeren, zegt natuurkundige Joseph Barker van de Universiteit van Leeds. Zulke computer combineren geheugen en processor in één apparaat. ’Het geeft misschien hoop aan het idee dat spintronics-apparaten werkelijkheid kunnen worden’, zegt Barker.