Was macht einen Magneten eigentlich zum Magneten?
Die Antwort könnte komplizierter sein, als lange gedacht. Eine neue Form von Magnetismus könnte nämlich die Physik und vielleicht auch eines Tages unsere Computer verändern, und zwar grundlegend. Darum geht es heute bei uns im Spektrum Podcast. Mein Name ist Max Zimmer. Schön, dass ihr dabei seid. Spektrum der Wissenschaft, der Podcast von detektor.fm.
Was ist ein Magnet?
Ja, was ist eigentlich ein Magnet? Vermutlich denken die meisten von uns da zuerst an ihre Kühlschrankmagneten. Vielleicht. Und das Prinzip Magnetismus, das kennen wir ja auch alle irgendwie aus dem Physikunterricht. Ist logisch. Also, es gibt zwei Pole, es gibt da so ein Magnetfeld, das weiß man vielleicht noch. Es gibt Dinge, die sich anziehen oder sich gegenseitig abstoßen. Aber in der modernen Physik ist Magnetismus sehr viel komplizierter. Und gerade wird dieses Bild nochmal erweitert. Denn in den vergangenen Jahren haben Forschende eine neue Klasse von Magneten identifiziert: die sogenannten Altermagnete.
Und das Bemerkenswerte daran ist, diese Materialien haben kein nach außen messbares Magnetfeld. Gleichzeitig können sie aber Eigenschaften zeigen, die man bisher vor allem von Magneten kannte. So, das klingt jetzt alles erstmal relativ rätselhaft, und gerade deshalb ist es für die Wissenschaft so spannend. Denn dahinter steckt eine sehr, sehr praktische Hoffnung: Altermagnete könnten eines Tages schnellere, dichtere und energieeffizientere Speicher für Computer ermöglichen. Noch ist das Zukunftsmusik, denn manche der untersuchten Materialien funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen, zum Beispiel, oder sind sehr, sehr schwierig herzustellen. Aber trotzdem könnte die Entdeckung unser Verständnis von Magnetismus grundlegend verändern.
Altermagnete und ihre Eigenschaften
Also wollen wir darüber sprechen, und zwar mit Manon Bischoff von Spektrum der Wissenschaft. Hallo Manon. Hi Max. Manon, was passiert denn in einem Material, wenn es magnetisch wird? Fangen wir vielleicht mal so an. Ja, um das zu verstehen, braucht man halt eigentlich schon die Quantenphysik, wenn man das Ganze im Detail verstehen möchte. Aber man kann sich das auch so bildhaft vorstellen. Also ein Material, das besteht ja aus Molekülen, und die bestehen ja wiederum aus Atomen. Und die Atome haben einen Atomkern und eben Elektronen, die drumherum schwirren, sage ich mal.
Und die Elektronen tragen wie so einen kleinen Stabmagneten mit sich. Also für diejenigen, die sich auskennen: Die Eigenschaft, das ist eine quantenmechanische Eigenschaft, die wird als Spin bezeichnet. Und die kann bei Elektronen halt eben entweder Plus oder Minus einhalb darstellen. Das ist an sich erstmal nicht so wichtig. Man kann sich einfach vorstellen, dass sie entweder einen Stabmagneten mit sich führen, mit Nordpol nach oben oder Nordpol nach unten.
Und in bestimmten Materialien ist es so, dass die Elektronen der Atome, aus denen die bestehen, dass alle Elektronen deren Stabmagnete in eine Richtung ausgerichtet sind. Und dann hat man eine allgemeine Magnetisierung. Also das heißt, das ganze Material ist dann halt magnetisch. Und dann hat man halt eben einen Nordpol und einen Südpol. Der Nordpol ist dann halt eben der, den man messen kann, ist natürlich auch der, wo die meisten der Elektronen quasi hinzeigen. Und der Südpol ist dann dort, wo halt die meisten Elektronen nach unten zeigen.
Ferromagneten und ihre Unterschiede
Genau. Und jetzt haben wir gesagt: Altermagnete. Was ist denn das jetzt im Unterschied dazu? Genau. Also was ich gerade beschrieben habe, das ist ein Ferromagnet. Jetzt ist es aber so, ich sage das mal direkt als kleiner Disclaimer, falls Hörende sich irgendwie wundern, die schon mal was davon gehört haben: Im Prinzip ist jedes Material irgendwie magnetisch. Also wenn man so in die Physik guckt, das gibt nämlich noch sowas wie Dia- und Paramagneten.
Das bedeutet einfach nur, wenn ich ein externes Magnetfeld nehme, also so wie wir das kennen, und da also vor allem ein starkes, und dann ein Material da reinsetze, wenn das Magnetfeld das Äußere stark genug ist, irgendwann mal werden sich die kleinen Stabmagnete der Elektronen, also diese Spins, entsprechend ausrichten. Das heißt, im Prinzip kann ich jedes Material irgendwann magnetisch machen. Das Besondere an den Magneten, die ich jetzt gerade beschrieben habe, also diese Ferromagneten, ist eben, dass ich kein äußeres Magnetfeld brauche, damit die ausgerichtet sind.
Das Erdmagnetfeld zum Beispiel, das wir jetzt hier haben, das ist viel zu schwach, um das wirklich zu beeinflussen. Die zeigen unabhängig davon. Und deswegen, wenn ich jetzt im Laufe der Folge von Magneten rede, dann meine ich Materialien, die auch ohne externes Magnetfeld so eine bestimmte Ausrichtung haben. Genau. Das ist einfach nur wichtig, falls sich nur Hörende wundern und wir dann Kommentare bekommen mit: Es gibt auch noch andere Magneten. Hier wollte ich nur zuvor kommen.
Die Entdeckung der Altermagnete
Genau. Und ein Altermagnet, das ist jetzt eben eine neue Klasse von Magneten, von der man gar nicht wusste, dass sie überhaupt existiert. Und der Unterschied ist: Nach außen hin haben wir keine Magnetisierung. Wir werden gleich im Laufe des Gesprächs noch feststellen, dass es nicht der einzige Magnet ist, bei dem das so ist. Aber dafür hat es bestimmte Eigenschaften von Ferromagneten, die man eben eigentlich nicht erwartet hat. Und das Spannende ist, dass diese Materialien, oder man kannte diese Materialien, aber dass diese Eigenschaft überhaupt erst 2024 zum ersten Mal experimentell nachgewiesen wurde.
Okay. Und also relativ neu alles noch. Ja, vielleicht kannst du mal erklären, welche Arten von Magneten kannte die Physik denn bisher und warum brauchte es jetzt diese neue Kategorie? Also, wie gesagt, wir haben über diese Kühlschrankmagnete und das, was wir so aus dem Alltag kennen, wenn wir von Magnetismus reden, das sind alles Ferromagnete, hat man vielleicht auch schon mal gehört. Es gibt aber eben auch noch die Antiferromagnete. Von denen hat man vielleicht nicht jeder gehört. Die haben nämlich nach außen hin auch kein messbares Magnetfeld, aber die haben trotzdem so eine magnetische Ordnung.
Also wenn man reinzoomt in das Material, könnte man halt sehen, dass die Elektronen, also diese Stabmagnete der Elektronen, dass die immer abwechselnd angeordnet sind. Also quasi Nordpol, Südpol. Deswegen gleichen die ihr Magnetfeld halt wieder aus. Aber sie haben trotzdem halt diese intrinsische Ordnung, sage ich mal. Die wurden überhaupt erst, ich glaube, in den 70ern vorhergesagt und nachgewiesen, dass es die gibt. Man dachte auch anfangs, dass es jetzt nicht wirklich eine Anwendung gäbe, weil man ja eben keine Magnetisierung nach außen hin hat.
Es gibt trotzdem auf jeden Fall Anwendungen, weil diese magnetische Ordnung bei bestimmten, wenn man halt Strom dadurch fließen lässt, den Strom auch auf gewisse Weise beeinflussen kann. Und das kann in der Technik manchmal ganz praktisch sein. Das heißt, diese Antiferromagnete haben auch mittlerweile ihren Nutzen gefunden, ihre Nische ein bisschen. Genau, das war alles soweit so gut. Und dann, das waren auch jetzt bis eben 2018 die einzigen Magnete, die man kannte. Ich meine, Elektromagnetismus, das hat ja schon Maxwell Ende des 19. Jahrhunderts beschrieben. Also das ist eine Theorie, die man eigentlich ziemlich gut kennt. Auch die Quantentheorie des Elektromagnetismus. Die ist, was grundlegend Neues finden würde jetzt in dem Bereich.
Die Entdeckung von Ruteniumdioxid
Und deswegen war ich halt umso überraschter, als ich das erste Mal von Altermagneten gelesen habe, von denen ich halt eben noch nie gehört hatte. Und entsprechend überrascht waren, glaube ich, auch die Forschenden. Die haben nämlich erste Hinweise darauf gefunden, als die ein Material namens Ruteniumdioxid untersucht haben. Und das haben sie nicht im Labor gemacht, sondern das waren erst mal theoretische Untersuchungen. Das heißt, die haben Simulationen gemacht. Die haben halt einem Computerprogramm quasi die Eigenschaften von dem Material übergeben und haben sich dann angeschaut, wie das Strom leitet und sowas.
Und dabei ist ihnen aufgefallen, dass die ganzen Modelle vorhersagen, dass es dort einen seltsamen Effekt geben sollte. Also der elektrische Strom müsste irgendwie seitlich im Material abgelenkt werden, sodass irgendwie quer zur Stromrichtung so eine Spannung entsteht. Das gibt es bei ferromagnetischen Materialien. Also ich weiß nicht, ob du in der Schule, ob du in Physik schon mal diese Lorenzkraft hattest mit diesen drei Fingern, dieser Drei-Finger-Regel. Da musst du mich jetzt, glaube ich, noch mal reinholen.
Ja. Ich weiß nur noch, also der eine Finger war quasi, also wenn man so ein Dreiergespann mit den ersten drei Fingern, also Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger bildet und die quasi alle senkrecht aufeinander stehen. Und dann ist zum Beispiel der Daumen, zeigt die Stromrichtung an, dann zeigt der Zeigefinger an, wie das Magnetfeld ist, und dann zeigt dir der Mittelfinger an, in welche Richtung dann der Strom abgelenkt wird. Das gab es ja. Genau, das wird da so Lorenzkraft bezeichnet.
Der seltsame Effekt in Ruteniumdioxid
Und das heißt, wenn ich jetzt ein magnetisches Material habe und ich schicke da Strom durch, dann weiß man, okay, der Strom wird eben durch das Magnetfeld von dem Material abgelenkt. So weit, so gut. Das sollte aber bei Antiferromagneten nicht passieren, weil die haben ja keine Magnetisierung. Also dadurch, dass ja jeder benachbarte Elektron quasi eine andere Richtung zeigt, also seinen Spin in eine andere Richtung zeigt, sollte der den Strom eigentlich gar nicht beeinflussen. Und das war dann seltsam.
Also da haben sich die Forschenden gefragt, wie kann es sein, dass es diesen Effekt in Ruteniumdioxid geben soll? Und dann haben sie angefangen, das ganze Material genauer zu untersuchen, aber alles erstmal theoretisch. Und dabei ist ihnen aufgefallen, dass die atomare Struktur der Moleküle, dass die halt eben da auch noch eine Rolle spielt. Also die Geometrie, wie sich diese Elektronenwolken überhaupt welche Formen die haben, dass die halt eben auch den Strom beeinflussen kann.
Die geometrische Struktur und ihre Auswirkungen
Und genau, also man kann sich das so vorstellen: Wenn man so ganz idealisiert ein Bild von einem Atom hat, ich stelle mir dann halt so einfach mal so eine Kugel vor, relativ easy. Es gibt ja aber, wenn du so Moleküle hast, dann sind die Elektronenwolken nicht unkugelförmig, sondern die können zum Beispiel auch so eine Hantelform haben. Und bei Ruteniumdioxid ist es eben so, dass die Hantelformen unterschiedlich angeordnet sind. Also man hat eine Hantel, die nach oben zeigt, dann ist die nächste waagerecht, die nächste ist wieder senkrecht, waagerecht, senkrecht, waagerecht.
Und alle, die senkrecht sind, haben einen Spin, der zum Beispiel, wo der Nordpol nach oben zeigt. Und alle, die waagerecht sind, die haben einen Spin, der zur Seite, wo der Südpol nach oben zeigt. Das heißt, man hat hier auf einmal eine Überlagerung von diesen Antiferromagneten und aber halt eben noch diese hantelförmigen Orbitale, die das ganze Material beeinflussen. Also du merkst schon, es ist ziemlich kompliziert. Es ist auch schwierig, sich das vorzustellen. Man könnte sich vorstellen, zum Beispiel, dass man die Nord- und Südpole, stelle ich mir halt immer so wie so Pfeile vor, und man kann denen noch zum Beispiel eine andere Eigenschaft, halt eben diese Hantelform oder eine Farbe oder so zuordnen.
Und man hat auf einmal zwei verschiedene Eigenschaften, die man beachten muss. Und diese geometrische Struktur und diese extreme geometrische Anordnung, die halt eben dazu führt, dass die Elektronen sich halt eben nochmal anders verhalten. Also die Elektronen in den Orbitalen von den liegenden Hanteln, die werden eben anders von dem Magnetfeld beeinflusst als von denen mit den stehenden Hanteln. Und dadurch gibt es halt wieder so eine Stromablenkung. Und das ist halt eben sehr spannend, weil damit hatte man überhaupt nicht gerechnet.
Theoretische Entdeckungen und ihre Bedeutung
Und das war ein ganz neuer Effekt. Und als die Forschenden, das war jetzt erstmal nur Theorie, aber als die Forschenden sich das genauer überlegt haben und untersucht haben und auch andere Materialien untersucht haben, haben sie halt festgestellt, dass es theoretisch in den Materialdatenbanken mehr als 200 mögliche Altermagnete geben könnte. Nur von Materialien, die man schon kennt.
Okay, aber was ich jetzt noch nicht ganz verstanden habe, ist, wie ein Material magnetische Eigenschaften haben kann, obwohl es nach außen ja gar kein, hast du gesagt, Magnetfeld erzeugt. Genau, das ist ein bisschen, das ist auch das, was die Forschenden gewundert hat. Und man muss dazu sagen, erstmal war alles auf dem Papier. 2024 konnte man diese elektronische Struktur auch wirklich experimentell nachweisen. Also man hat halt tatsächlich auch auf dem Papier jetzt herausgefunden, also nicht nur auf dem Papier, sondern auch im Labor herausgefunden, es gibt diese Altermagnete, die haben auch wirklich diese Eigenschaften, die vorhergesagt wurden.
Und eben dieser Widerspruch, der entsteht ja, weil man halt zwei Sachen auseinanderhalten muss. Also einmal hat man diese gesamte Magnetisierung, so nach außen hin, das Magnetfeld, was man messen kann. Und dann hat man aber auch noch die Magnetisierung halt von den einzelnen Elektronen im Material, die auch noch eine Auswirkung hat. Und bei Altermagneten, es gibt halt gleich viele Spins, die in die eine und in die andere Richtung zeigen, also so wie bei den Antiferromagneten, weswegen sich die Magnetfelder nach außen aufheben.
Aber die magnetische Struktur im Inneren, die bleibt halt bestehen und die ist super genau geordnet, nämlich eben wegen diesen Elektronenwolken. Und deswegen erleben Elektronen mit unterschiedlichen Spins unterschiedliche Bedingungen, wenn sie sich durch das Material bewegen. Und das Material kann halt deshalb so einen elektrischen Strom nach dem Spin, also seiner Elektronen, halt auch sortieren. Das war halt eben das, womit man nicht gerechnet hatte.
Anwendungen der Altermagnete
Das muss man auch sich genau angucken und genau auch ausrechnen, dass es auch wirklich so passiert. Weil ich meine, anschaulich glaubt man das vielleicht ein bisschen, dass am Ende dann auch quantenmechanisch auszurechnen. Da braucht man auch ein bisschen höhere Mathematik für. Aber es ist tatsächlich so, diese unterschiedlichen Hantelformen der Orbitale, die jeweils aber dann dieselbe Spin-Ausrichtung haben, die üben einen Effekt auf den Strom aus, der sich dadurch bewegt. Strom kann man sich ja oft irgendwie mit so Wasser vorstellen. Und man kann sich vorstellen, dass so ein Wasserstrahl durchgeführt wird und dann so abgelenkt wird, eben wegen diesen internen Strukturen, die es da gibt.
Genau. Aber das ist halt eine super spannende Entdeckung, weil dadurch haben wir auf einmal Magnete, also eine Form von Magnetismus, die halt eben nicht magnetisch sind nach außen hin, aber trotzdem magnetische Eigenschaften haben. Und ja, da haben die Forschenden direkt gedacht, vielleicht können wir ja was damit machen.
Spintronik und ihre Bedeutung
Ja, wollte gerade sagen, also jetzt könnte man denken, das ist noch irgendwie Physik klein klein, was wir da jetzt gerade besprechen. Aber tatsächlich sind diese Altermagnete sehr, sehr interessant in vielerlei Hinsicht. Wo können die uns denn helfen? Also es gibt den Bereich der Spintronik, an dem jetzt schon länger geforscht wird. Das ist also so etwas wie Elektronik, ist damit gemeint. Nur dass halt eben die Information, eben in dem Fall, nicht der Strom an sich spielt, also die Ladungsträger, sondern der Spin.
Also wir gucken hier nicht nur, kommt hier eine negative Ladung an oder eine positive, sondern auch, kommt hier eine positive Ladung an oder kommt hier eine negative Ladung an und zeigt der Spin nach oben oder zeigt der Spin nach unten. Also habe ich einen Nordpol oder einen Südpol. Diese Spintronik, daran wird schon lange gearbeitet, weil man eben hofft, mit deutlich weniger Ressourcen elektronische oder dann halt spintronische Geräte betreiben zu können.
Und teilweise wird es auch schon genutzt, eben um in Speichergeräten, also so Festplatten oder so, die funktionieren ja auch mit Magneten. Genau, da spielt eben auch die Spintronik eine Rolle, weil halt eben die magnetischen Ladungen quasi die Informationen codieren, die auf der Festplatte halt gespeichert sind. Genau. Und genau hier kommen Altermagnete ins Spiel, weil die könnten extrem schnelle Speicher- und Rechenbauteile ermöglichen.
Und die Idee ist halt eben, dadurch, dass die Antiferromagnete kein äußeres Magnetfeld haben, kann man die halt sehr, sehr nah beieinander packen, also sehr dicht packen, was man halt mit gewöhnlichen Magneten nicht machen kann, weil die sich ja gegenseitig sonst beeinflussen. Gleichzeitig hat man aber auch noch diese magnetischen Eigenschaften, nämlich dass ich halt den Strom sehr genau steuern kann, dadurch, dass ich halt diese internen Magnetfelder, also dass die internen kleinen Magnetfelder doch noch wirken, ohne nach außen hin eine Kraft zu haben.
Und das ist halt eben die Hoffnung, also dass man irgendwie Speicher entwickeln kann, die so schnell arbeiten wie ein Arbeitsspeicher, am Ende aber halt auch alles so lange speichern können wie eine SSD und super energieeffizient am Ende sind. Weil genau das ist halt der Vorteil auch an diesen magnetischen Ladungen. Man kann halt sehr schnell die Dinge steuern, man kann sehr schnell Magnetfelder kippen und das Ganze auch noch ohne viel Aufwand betreiben.
Fazit und Ausblick
Verstehe, okay. Also das Potenzial ist schon groß. Also schon groß. Es wäre sowas wie die eierlegende Wollmilchsau, sage ich mal. Also das wurde schon so geäußert. Aber genau, jetzt ist halt die Frage, wie schnell sich das natürlich realisieren lässt und ob es in der Praxis auch so aussieht.
Ja, das würde ich dich zum Ende natürlich gerne noch fragen: Wie weit sind wir denn dabei? Also was muss noch passieren, bis man, sage ich mal, aus dieser Entdeckung dann auch tatsächlich was Nutzbares rauskriegt oder Technologie rauskriegt? Ja, das ist ja bei der Grundlagenphysik immer die Frage. Also aktuell sieht alles sehr, sehr spannend aus. Das tat es ja zum Beispiel bei Graphen auch. Das war ja auch so ein Wundermittel oder Wundermaterial eher. Aber bis heute bleiben so ein bisschen die Anwendungen von Graphen noch so ein bisschen fragwürdig.
Mal schauen, ob es bei Altermagneten auch so wird. Wobei Experten meinen, dass es da nicht ganz so düster ist aktuell. Hoffen wir mal, dass sie recht haben. Aber es ist so. Also überhaupt altermagnetische Strukturen, die wurden jetzt experimentell nachgewiesen. Man hat total viele Materialien, die halt Altermagnete sein könnten. Laut Theorie muss sich das jetzt natürlich im Labor noch bewahrheiten. Aber jetzt wirklich einen marktreifen Speicherchip zu haben mit Altermagneten, da sind wir jetzt schon noch weit von entfernt.
Also man muss jetzt erst mal Materialien finden, die sich gut herstellen lassen. Das ist ja erst mal Frage Nummer eins. Weil jetzt hat man überhaupt versucht, erst mal so die ersten Kandidaten, wo man aus theoretischer Sichtweise wirklich denkt, okay, das könnten welche sein. Egal jetzt, ob es super schwierig herzustellen ist, ob die super selten sind. Wir machen das jetzt einfach mal, messen das im Labor, einfach um es zu zeigen.
Dafür musste man halt auch bei den Materialien, die untersucht wurden, musste man die halt auf, ich glaube, minus 200 Grad Celsius abkühlen. Und so ist jetzt natürlich für die Anwendung nicht super praktisch. Dann muss man gucken, dass diese Materialien auch stabil sind, also dass die jetzt nicht zerfallen zu irgendwelchen anderen Stoffen oder sich halt irgendwie umordnen oder so. Dann genau, die dürfen nicht zu schwer herzustellen sein. Man muss irgendwie schaffen, relativ dünne Schichten daraus zu produzieren.
Also bis man wirklich daraus Bauteile herstellen kann, müssen die super viele Anforderungen halt erfüllen. Und diesen Stoff zu finden, der das halt tut, das wird jetzt natürlich, das ist jetzt erstmal das, woran die Forschenden sitzen. Oder beziehungsweise das geht auch schon fast Richtung Ingenieurswissenschaft, nicht mehr nur Physik. Ja, also dann geht es mehr in die Anwendung.
Genau. Und selbst wenn man es dann geschafft hat, einen Stoff zu finden, der das machen kann, muss man ja auch noch eine effiziente Produktion am Ende gewährleisten können, damit es dann irgendwann mal in die Industrie geht und großflächig irgendwie hergestellt werden kann. Also da müssen ja auch in der Industrie müsste ja dann alles angepasst werden.
Und deswegen redet man bei solchen neuen Durchbrüchen. Also das gab es in der Materialwissenschaft immer mal wieder. Also eben auch als so bei Antiferromagneten oder Ferromagneten, wenn man so bestimmte Eigenschaften davon festgestellt hat und dachte, oh cool, daraus können wir jetzt ein neues Bauteil herstellen, hat es halt oft zehn bis zwanzig Jahre wirklich gedauert, bis das dann so ausgereicht war, dass es dann in die industrielle Entwicklung kommen konnte. Und mindestens so lange wird es jetzt wahrscheinlich auch halt brauchen, weil unabhängig davon, wie gesagt, ob man jetzt den idealen Materialkandidaten gefunden hat, muss man ja dieses ganze Industriegedöns, was dahinter steckt, ist halt doch sehr, sehr aufwendig und viel.
Schlusswort
Wenn ihr noch mehr dazu wissen wollt, dann lest gerne den Artikel zum Thema auf spektrum.de. Da gibt es dann auch noch ein bisschen Bildmaterial und das Ganze nochmal ein bisschen detaillierter. Rate ich euch, nochmal reinzuschauen. Und Manon, dir sage ich vielen, vielen Dank fürs Erklären. Ja, danke, Max. Und das war’s für diese Woche vom Spektrum Podcast. Vielen vielen Dank euch fürs Zuhören. Gerne auch kommende Woche wieder dabei sein. Wie immer am Freitag dann eine neue Folge von uns. Bis dahin gerne abonnieren, kommentieren, bewerten und teilen. Das freut uns sehr. Auch dafür vielen, vielen Dank euch. Mein Name ist Max Zimmer und ich sage Tschüss und macht’s gut. Spektrum der Wissenschaft, der Podcast von detektor.fm.
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